《ARM Cortex-M0 权威指南》笔记（2）—体系结构

admin 于 2021年06月10日发表在 Cortex-M0开发笔记

1. 操作模式和状态

Cortex-M0 处理器包含两种操作模式和两种状态。

系统模型.png

处理器在运行程序时处于Thumb状态（Thumb state），在这种状态下，处理器可以处在线程模式（Thread mode），也可以处在处理模式（Handler mode）。

2. 寄存器和特殊寄存器

Cortex-M0 寄存器组中，包含13个32位的通用目的寄存器，以及多个特殊寄存器。

寄存器组.png

2.1 基本寄存器

R0 - R12，通用寄存器，由于16位的 Thumb 指令集在空间上的限制，许多 Thumb 指令只能操作 R0~R7，它们也被称作低寄存器（low registers）；而像 MOV 之类的一些指令则可以使用全部的寄存器。
在使用 ARM 汇编器之类的 ARM 开发工具操作这些寄存器时，寄存器的写法可以用大写（如：R0），也可以用小写（如：r0）。R0~R12 寄存器的初始值未定义。
R13，栈指针（SP）
用于对栈空间的存取操作（通过PUSH和POP指令）。Cortex-M0在不同物理位置上存在两个栈指针，主栈指针（MSP）为上电后默认指针，用于异常处理；进程栈指针（PSP），只能用在线程模式（Thread mode）。可以通过配置 CONTROL 寄存器，选择使用哪个栈指针。
使用 ARM 开发工具编写程序代码时，程序员可以使用 “R13” 或 “SP” 来操作栈指针。在 ARM 处理器中，由于寄存器是 32 位，故 PUSH 和 POP 指令永远是32位操作，而且存取的地址必须是 32 位字对齐的。在处理器上电流程中，中断向量表的头4字节被取出，然后填充到 MSP ，作为 MSP 的初始值。
在许多应用中，系统完全依赖 MSP，PSP一般没有必要使用。使用操作系统的设计通常会用到PSP，因为操作系统内核的栈空间和线程级的应用程序的栈空间是相互独立的。PSP 的初始值未定义。
R14，链接寄存器（LR）
用于存储子程序或函数调用的返回地址。子程序或函数执行完毕，存储在LR中的返回地址将被装载到程序计数器（PC）中，以便调用程序可以继续执行。当发生异常中断时，LR会提供一个特定值，用于中断返回。
在使用 ARM 开发工具编程时，通常会通过 R14 或 LR 访问链接寄存器，而且不区分大小写。
尽管 Cortex-M0 处理器的函数返回地址始终是偶数（最低位为 0，因为最小的指令都是16位，也就是半字对齐），LR的第 0 位却是可读可写的。对于 ARMv6-M 体系结构，为了指明当前处于 Thumb 状态，一些指令需要函数地址的最低位为 1 。
R15，程序计数器（PC）
可读可写。读操作返回当前正在执行的指令地址加上4（这是由流水线的特性决定的），而写入R15 会导致程序跳转执行（和函数调用不同，链接寄存器不会更新）。
在使用 ARM 开发工具编程时，可以使用 R15 或 PC 来操作程序计数器，大小写均可。
Cortex-M0 处理器的指令地址必须是半字，也就意味这 PC 寄存器的最低位必须始终为 0。不过，在使用跳转指令（BX 或 BLX）执行程序跳转时，PC 的最低位应该被置为1，以表明目标分支处于 Thumb 程序区域。
xPSR，组合程序状态寄存器
组合程序状态寄存器提供了程序执行信息和ALU（算术逻辑单元）标志，该寄存器由应用程序状态寄存器（APSR）、中断程序状态寄存器（IPSR）、执行程序状态寄存器（EPSR）等三个程序状态寄存器（PSR）组成。