《Cortex-M0權威指南》之體系結構---系統模型

　　Cortex-M0體系結構包括：系統模型、存儲器映射、異常中斷。這篇文章主要講解Cortex-M0的系統模型。

　　操作模式和狀態

　　如上圖所示，Cortex-M0包括兩種操作模式和兩種狀態

　　Thumb狀態(Thumb state)

　　處理模式

　　線程模式

　　調試狀態

　　處理器啟動后處于Thumb狀態，在這種狀態下，處理器可以處于線程模式和處理模式，線程模式時執行普通代碼，處理模式時執行異常處理。線程模式和處理模式的系統模型幾乎一模一樣，唯一的不同在于線程模式通過配置CONTROL特殊寄存器，可以使用進程指針。

　　調試狀態僅用于調試操作，暫停處理器內核后，執行不會再執行。在這種狀態下，調試器可以讀取甚至改變內核寄存器的值。

　　處理器上電后默認處于Thumb狀態的線程模式，執行普通代碼。

　　寄存器和特殊寄存器

　　數據的解析和控制器的處理過程中，需要處理器內核寄存器的參與。如果需要處理控制器中的數據，這些數據需要先加載到處理器內核的寄存器(寄存器組中的摸個)，處理完成后，如果有需必要，它們還會被送到存儲器中，這種方式被稱為“加載-存儲架構”(load-store architecture)。

　　Cortex-M0有13個32位通用寄存器R0-R12，以及多個特殊寄存器。

　　寄存器組包含16個32位寄存器，其中13個時通用的，其余三個具有特殊用途。

　　R0-R12 通用寄存器

　　R0-R12為32位通用寄存器，由于16位thumb指令集在空間上的限制，許多Thumb指令只能操作R0-R7，它們被稱為低寄存器，而想MOV之類的一些指令則可以使用全部的寄存器。R0-R12寄存器的初始化值未定義。

　　R13,棧指針(SP)

　　R13為棧指針，對棧空間進行存取操作(通過PUSH和POP指令)，Cortex-M0在不同的物理地址上有兩個棧指針，一個為主棧指針(MSP)，也被稱為SP_main，一個指針稱為進程棧指針(PSP)，也為稱為SP_process，只能用在線程模式。可以通過CONTROL寄存器，選擇使用那個棧指針。

　　在ARM處理器中，由于寄存器是32位的，所以PUSH和POP指令永遠是32位操作，而且存取地址是32位字對齊(32位對齊)。在處理器上電過程中，中斷向量表的頭4字節會被去除(中斷向量表在0x000000000地址)，然后填充到MSP，作為MSP的初始值，PSP的初始值為定義。

　　一般使用操作系統是PSP進程棧指針才會被使用，這是因為操作系統內核的?？臻g和線程級的應用程序的?？臻g是相互獨立的。

　　R14，鏈接寄存器(LR)

　　R14為鏈接寄存器，用于存儲子程序或者函數調用的返回地址。子程序或者函數執行完畢，存儲在LR中的返回地址將被裝在到程序計數器PC中，以便調用程序可以繼續執行。當發生異常中斷時，LR會提供一個特定值，用于中斷返回機制。

　　盡管Cortex-M0處理器的函數返回地址始終時偶數(最低位為0，因為最小的指令都是16位的)，LR的0位時可讀寫的。為了指明當前處于thumb狀態，一些指令需要函數地址最低位為1。

　　R15，程序計數器(PC)

　　R15為程序計數器，為可讀寫。讀操作返回當前正在執行的指令加上4(這是由流水線的特性決定的)，而寫入R15會導致程序跳轉執行，這和函數調用不同，鏈接寄存器不會更新。

　　Cortex-M0處理器指令是16位對齊的，所以PC寄存器的最低位必須始終為0.不過在使用跳轉指令BX或者BLX執行跳轉執行時，PC的最低位應該被置1，以表明目標分支處于thumb程序區域。如果試圖切換到Cortex-M0未知的ARM狀態，錯誤異常中斷會被觸發。

　　xPSR，組合程序狀態寄存器

　　xPSR寄存器

　　xPSR寄存器

　　組合程序狀態寄存器提供了程序執行信息和ALU(算數邏輯單元)標志，改寄存器由三個程序狀態寄存器(PSR)組成，如上圖：

　　應用程序狀態寄存器(APSR)

　　中斷程序狀態寄存器(IPSR)

　　執行程序狀態寄存器(EPSR)

　　應用程序狀態寄存器

　　APSR包含了ALU算數邏輯單元標志，位于xPSR最高4位，一般用于控制程序跳轉：

　　N表示負號標志

　　Z表示零標志

　　C表示進位或借位標志

　　V表示溢出標志

　　中斷程序狀態寄存器

　　IPSR包含了當前正在執行的中斷服務程序(ISR)編號，Cortex-M0的每個異常中斷都會由一個特定的中斷編號(表示中斷類型)。這對調試時識別當前的中斷非常有用，而且在多個中斷共用一個中斷處理的情況下，可以看出放生的時哪個中斷。

　　執行程序狀態寄存器

　　EPSR包含了T位，該位用來表示當前是否處于Thumb狀態。由于Cortex-M0處理器只支持Thumb狀態，所以T位一般為1.清除該位(置零)后，執行嚇一跳置零會觸發硬件異常中斷。

　　PRIMASK，中斷屏蔽特殊寄存器

　　PRIMASK僅有一位位寬，置位后，除了不可屏蔽中斷(NMI)和硬件錯誤異常外的其他中斷都會被屏蔽。實際上，此時當前中斷優先級被置為0，也就是最高等級。

　　要訪問PRIMASK寄存器，可以通過特殊寄存器操作置零(MSR和MRS)，也可以使用“改變處理器狀態”置零(CPS)。在處理器對事件敏感的應用時，需要操作PRIMASK寄存器。

　　CONTROL，特殊寄存器

　　前面已經提到，Cortex-M0處理器具有兩個棧指針。處理器模式決定了使用的棧指針，而處理器模式以來與CONTROL寄存器的配置。

　　復位以后，系統默認使用主棧指針，在線程模式下，通過配置CONTROL寄存器的第一位置1，處理器可以切換至使用進程棧指針(前提是當前不是處在異常中斷處理中)。在處理異常中斷時(運行在處理模式下)，系統只能使用主棧指針，CONTROL寄存器讀出的值為0。要改變CONTROL寄存器的值，應該在線程模式下進行操作，或者借助異常中斷進入和返回機制。

　　為了兼容Cortex-M3，CONTROL寄存器的0位保留。在Cortex-M3中，第0位用于將處理器切換至用戶模式，這個特性在M0中沒有。