嵌入式八股ARM篇

前言

  ARM篇主要介绍一下寄存器和中断机制,至于汇编这一块…还请大家感兴趣自行学习

1.寄存器

1. R0 - R3 R4 - R11 寄存器
   R0 - R3一般用作函数传参
   R4 - R11用来保存程序运算的中间结果或函数的局部变量
   在函数调用过程中

• 注意在发生异常的时候 cortex-M0架构会自动将R0-R3压入栈中, 这也是为什么我们的PendSV只用压入R4 - R11

2. R12 没啥用

3. R13寄存器
   R13寄存器又叫做堆栈指针寄存器SP 总是指向当前正在运行的函数的栈帧

   • MSP 和 PSP
     对于 cortex-M3架构 存在两个SP 指针 一个 MSP 一个 PSP
     

     • PSP只能被用作线程模式 MSP可以在 线程/handler模式运行
       具体的等后面模式做详解

   • FP 与 SP
       前面将函数调用过程的时候讲到了 栈帧是靠这俩寄存器FP和SP维护的 可是为啥没见FP寄存器呢? FP似乎通常是R11寄存器 但不绝对

4. R14寄存器—LR寄存器

   • 用来保存保存上一级函数调用者的返回地址,这样当我们函数调用返回的时候就知道从哪里接着运行了
   • 当异常发生时，LR中保存的值等于异常发生时PC的值减4（或者减2），因此在各种异常模式下可以根据LR的值返回到异常发生前的相应位置继续执行
   • 当中断发生的时候,LR寄存器的值会被设定为"EXC_RETURN"
   • BL function
     当我们通过这样的指令跳转的时候 就会更新我们的LR寄存器的值了
   • BX LR
     这个我们在RTOS的PendSV函数的最后会看到 BX LR 指令 这是因为PendSV结束调用时还处于特权模式（LR = EXC_RETURN）,而我们实际上是想返回线程模式的 所以用BX LR 而不是 MOV PC, LR

5. R15寄存器—PC寄存器
   每取一次指令,PC的值会自动 + 8

6. 各种状态寄存器
   不必关心

7. ARM的三级流水线
     一条指令的执行分为三步:取址, 译码 和 执行 每一条都需要一个时钟周期 所以一条指令需要三个时钟周期。 那如果我们只有第一条指令执行完才执行第二条 就意味着取址单元会有两个时钟周期啥也不干。
   所以引入流水线就好了
   

   • 为什么是PC = PC + 8 呢
     这么理解
     “正在取值的指令” = “正在执行的指令” + 8 *
     就对了,反正这也是给你看的不是给机器看的…
     可以看到对于第一条指令add r0,r1,#5真正执行的时候,我们取的是第三条指令cmp r2,#3的值
     

8. 顺序执行与乱序执行
   因为我们的指令很有可能下个指令依赖上个指令的结果,那此时三级流水线就出问题了
   比如上个指令的结果还没放回内存了 这边已经从内存开始取数据了
   此时就得加入空指令 暂停流水线了–效率低下
   所以就会有乱序执行–有专门逻辑电路进行分析做这个事

2.特权与模式

1. cortex-M3的模式
   两种模式 – handler模式与线程模式
   两种特权 – 用户级和特权级
2. ARM的七种模式
   • 用户模式（User）：这是唯一的非特权模式，
   • 快速中断模式（FIQ, Fast Interrupt Request）：
   • 标准中断模式（IRQ, Interrupt Request）
   • 管理模式（SVC, Supervisor）。
   • 中止模式（Abort）
   • 未定义模式（Undefined）
   • 系统模式（System）
     

  用户级和特权级是针对访问权限:特权级访问寄存器不受限，用户级不行
  模式是针对运行状态: 触发异常了就得进入 handler模式 普通状态就是线程模式
  所以不能在用户级去操作handler模式,但是线程模式下特权级还是用户级都无所谓啦

1. 复位后的状态
   复位后，处理器默认进入线程模式(MSP),特权极访问
   可以通过修改CTRL寄存器回到线程模式(PSP指针)
   但是线程模式可就不能修改CTRL寄存器了—那想回去怎么办?触发异常再异常中修该
   

3.存储区映射

对于32位的处理器 地址空间是4个G 这4G对于ARM来说是这么定义的

异常

  对于所有的异常都进行了编号 前15种是系统异常 后面的都是外部中断

  我们可以看到对于后面几个异常是可编程的,这个在RTOS的任务切换很重要,我们一般会把PendSV这个异常设定为最低优先级(0xffffffff)—为了在对所有中断都响应后在切换任务

• 抢占优先级和响应优先级
  高抢占优先级可以打断低抢占优先级
  但是同抢占优先级下,高响应优先级打断不了低的响应优先级

• 中断向量表—处理中断的关键
  

  这个是在starup.s中定义的 一般我们也不会有重新定义新的中断的需求

• 对中断的响应
  正常来说需要我们在中断服务程序清除对应的标志位
  

  如果不清除会咋样—那就反复进入该中断处理程序操作
  

  如果极短时间多次请求–一般只会响应一次,因为中断就悬起了一次
  

  假如在中断服务函数执行过程中,又触发了一次相同的中断–就会再执行一次

• NVIC中断控制器

  • 中断的悬起与解悬
  • 中断的优先级控制
  • 对中断响应的暂时屏蔽

中断

• msp与psp指针
  MSP:复位后缺省使用的堆栈指针，用于操作系统内核以及异常处理例程（包括中断服务例程）
  PSP:由用户的应用程序代码使用。
  两个堆栈指针，同一时刻只能用一个。
  作用：提升程序健壮性。一定程度上保证应用的数据（栈）空间不会溢出到操作系统数据（栈）空间
• 中断发生后做了什么
  当一个中断发生的时候 我们的内核到底做了什么

  • 寄存器入栈–保存现场
    

  • 地址总线从向量表查询中断向量

  • 更新寄存器–此时就进入handler模式了同时使用的也是MSP指针了
    

    

  • 跳转执行中断服务程序

  • 中断返回–包括把之前保存的寄存器的值自动弹出来(恢复现场)

• 中断的递归调用
  不用我等操心 但是需要我们注意的是就是给栈提供一个合适的大小
• 中断与异常的区别
  中断——外部事件引起，正在运行的程序所不期望的–异步的
  异常——内部执行指令引起–同步的