arm cortex-m 架构简述

1. cortex-m 处理器的体系架构与指令集

本文仅讨论 cortex-m0/m0+/m3/m4/m7 armv8架构暂不讨论

• cortex-m0/m0+/m1 基于ARMv6-M架构
• cortex-m3基于ARMv7-M架构(ARMv7-M随cortex-m3处理器一起发布)
• cortex-m4/m7基于ARMv7E-M架构(ARMv7-M随cortex-m4处理器一起发布)
  

• corte-m处理器都支持Thumb-2指令集（既支持16位指令，也支持32位指令）。
• 上图是ARMv6-M,ARMv7-M,ARMv7E-M所有指令，上图也能看出所支持指令的长度。
• cortex-m1处理器一般用于FPGA,针对FPGA进行了优化

2. cortex-m内核寄存器

2.1 cortex-m0, cortex-m0+寄存器

2.2 cortex-m3, cortex-m4, cortex-m7 寄存器

2.3 PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI寄存器

• PRIMASK：寄存器有1个bit生效，可屏蔽所有 可配置优先级的异常 ，即屏蔽除 Reset（-3）, NMI（-2）, HardFault（-2） 外的所有中断。
• FAULTMASK：寄存器有1个bit生效，屏蔽除 Reset（-3）, NMI（-2） 外的所有中断。
• BASEPRI：可屏蔽优先级 小于或等于 BASEPRI配置值的中断或异常。BASEPRI位宽是可配置的（微控制器设计厂商可配置，非软件可配置），一般是3bit 或 4bit。
  

2.4 SP寄存器

SP寄存器在物理实现上有两个，分别是MSP 和 PSP，通过SP这个名字访问的可能是不同的物理存储，当然也可以直接在汇编中使用MSP 和 PSP。

• MSP：Main Stack Pointer（主栈指针），Handler mode(处理异常或中断)使用MSP,Thread mode可以选择使用MSP或PSP（通过CONTROL寄存器选择）
• PSP：Process Stack Pointer（线程栈指针），在Thread mode下可由CONTROL寄存器配置使用PSP.

3. PSR 寄存器

因为支持的指令不同，所以不同处理器的PSR寄存器会略有不同

3.1 cortex-m0, cortex-m0+（ARMv6-M）

3.2 cortex-m3（ARMv7-M）

3.3 cortex-m4，cortex-m7（ARMv7E-M）

• GE[3:0]：大于或等于标志
• ICI：Interruptible-continuable instruction（中断继续指令），如LDM指令，STM指令均需要多个时钟周期，且是可被中断的， ICI只要作用是记录中断位置。
• IT：用于If-Then指令（IT指令，在此处暂不展开讨论IT指令）。
• T：指示处于ARM状态还是Thumb状态，cortex-m处理器只支持Thumb状态，所以此位一直为1。

3.4 ISR_NUMBER

• cortex-m0/m0+的ISR_NUMBER
  

• cortex-m3/m4/m7的ISR_NUMBER
  

• 总结

  • cortex-m3/m4/m7相比cortex-m0/m0+ 增加了如下异常

    • MemManage
    • BusFault
    • UsageFault
    • Reserved for Debug

  • cortex-m3/m4/m7相比cortex-m0/m0+ IRQ中断数量由32个扩展到了240个
  • systick在cortex-m0/m0+ 中是可选实现的，systick 在 cortex-m3/m4/m7中是必须实现的。

4. cortex-m处理器模式与特权级

4.1 cortex-m处理器特权级

cortex-m处理器分为两个特权级：

• Unprivileged(非特权级)

  • 不能使用MRS,MSR,CPS(开关中断) 指令。
  • 不能访问systick、NVIC、SCB等
  • 对MPU保护的资源访问受限

  注：cortex-m0不支持非特权模式（CONTROL没有对应的配置位）。cortex-m0+ 可选的支持非特权模式。cortex-m3/m4/m7强制支持非特权模式。

• Privileged(特权)：

  • 所有指令，所有资源均可访问。

4.2 cortex-m0/m0+处理器寄存器访问的特权级

• cortex-m0只支持特权级（不支持非特权级），所有的寄存器都只能在特权级下访问。
• cortex-m0+可已选择支持特权级，也可以选择不支持特权级。
  

  <> 文档中并没有对各个寄存器中访问的特权级进行描述，欢迎大家补充，或后续我找一下其他资料或实测一下再补充。

4.3 cortex-m3/m4/m7处理器寄存器访问的特权级

• cortex-m3/m4 存器访问的特权级
  
• cortex-m7 存器访问的特权级
  
• 由上面两个表可以看出cortex-m7 和 cortext-m3/m4 仅在 MSP的访问权限上存在区别。

4.4 cortex-m处理器模式

• Thread mode：线程模式(没有进行中断处理)

  • 可配置特权模式或者非特权模式 ，CONTROL寄存器配置,。
  • 可配置使用MSP或者PSP,CONTROL寄存器配置。

  注：在Thread mode下，cortex-m0只支持特权模式(CONTROL寄存器没有相关的配置位)，cortex-m0+可选支持非特权模式，cortex-m3/m4/m7既支持特权模式，也支持非特权模式。

• Handler mode：处理模式

  • 一定处于特权模式
  • 使用MSP

4.5 cortex-m处理器模式和特权级切换简析

• 下表是寄存器的初始值，通过寄存器的初始值我们可以得出很多结论
  

4.5.1 CONTROL寄存器的初始值

CONTROL寄存器的初始值为全0，我们可以得出如下结论：

• 针对cortex-m0或cortex-m0+(不支持非特权级) ，表征在初始状态下使用MSP
• 针对cortex-m0+(支持非特权级)/m4/m7，表征在初始状态下使用MSP且处于特权模式。

  cortex-m4/m7在 CONTROL寄存器中增加了FPCA位用于指示中断发生时上下文中有没有浮点运算，用于指示中断发生时的硬件压栈，这与cortex-m的异常处理有关，在此暂不展开，后续会专门写一篇文章来分析cortex-m的异常处理。

4.5.2 PSR寄存器的初始值

• PSR寄存器的初始为0x01000000, 即T位为1表示处于thumb状态（cortex-m只支持Thumb状态），ISR_NUMBER 为零表示处于Thread mode

4.5.3 PRIMASK，FAULTMASK，BASEPRI寄存器的初始值

PRIMASK，FAULTMASK，BASEPRI寄存器的初始值都为0，便是不屏蔽任何中断。

4.5.4 MSP PSP PC寄存器的初始值

初始状态下栈指针使用MSP , 不关心PSP的初始值，MSP PC寄存器的初始值比较特殊，上电或复位后，硬件会将向量表中的第一个字放入MSP中，将向量表中的第二个字放入PC中，又因为复位状态下VTOR 寄存器的初始值为0，所以硬件会到0地址处找向量表，软件要保证0地址出有向量表。

4.5.5 LR寄存器的初始值

LR寄存器的初始值是0xFFFFFFFF，这是一个非法值，函数调用不会在这里返回。

4.5.6 总结

结合通过上述描述，我画了一张图描述状态和特权级的切换，比较好理解，便不过多赘述。