深入理解 Cortex-M3 特殊寄存器

在上一篇文章中分享了 Cortex-M3 内核寄存器组的相关知识，实际上除了内核寄存器组外，CM3 处理器中还存在多个特殊寄存器，它们分别为 程序状态寄存器，中断/异常屏蔽寄存器 和 控制寄存器。

需要注意的是，特殊寄存器未经过存储器映射，即没有对应的存储器地址，也只能使用专门的 MSR 和 MRS 等特殊寄存器访问指令来进行访问：

MRS <reg> <special_reg>  ;将特殊寄存器读入寄存器
MSR <special_reg> <reg>  ;写入特殊寄存器

CMSIS-Core 也提供了几个用于访问特殊寄存器的 C 函数，其本质也是以上两个指令的封装。如在 gcc 环境下（cmsis_gcc.h），对 CONTROL 寄存器的操作如下：

__STATIC_FORCEINLINE uint32_t __get_CONTROL(void)
{uint32_t result;__ASM volatile ("MRS %0, control" : "=r" (result) );return(result);
}__STATIC_FORCEINLINE void __set_CONTROL(uint32_t control)
{__ASM volatile ("MSR control, %0" : : "r" (control) : "memory");
}

接下来我们看一下这些特殊寄存器的具体含义。

程序状态寄存器（PSRs 或 xPSR）

程序状态寄存器包含以下三个状态寄存器：

• 应用 PSR（APSR）

• 执行 PSR（EPSR）

• 中断 PSR（IPSR）

通过上面提到的 MRS 和 MSR 指令，这三个 PSRs 可以单独访问：

MRS r0, APSR  ;将应用状态读入 R0
MRS r0, IPSR  ;将中断/异常状态读入 R0
MSR APSR, R0  ;写应用状态

也可以组合访问（两个组合或三个组合都可以）。当使用三合一方式访问时，应使用 “xPSR” 或 “PSR” 这两个名字。

MRS r0, PSR  ;读组合程序状态字
MSR PSR, r0  ;写组合程序状态字

需要注意的是，软件代码无法直接使用 MRS （读出为 0）或 MSR 直接访问 EPSR。同时 IPSR 为只读，可以从组合 PSR 中读出。

这三个寄存器的位域结构如下：

组合形式：

其中每个位域字段的含义如下：

• N：负标志。

• Z：零标志。

• C：进位（或非借位）标志。

• V：溢出标志。

• Q：饱和标志（ARMv6-M 中不存在）。

• ICI/IT：中断继续指令状态位（ICI），用于条件执行的 IF-THEN 指令状态位（ARMv6-M 中不存在）。

• T：Thumb 状态，总是 1，尝试清除此位会引起错误异常。

• Exception Number：表示处理器正在处理的异常对应的编号。

PRIMASK, FAULTMASK 和 BASEPRO

PRIMASK、FAULTMASK 和 BASEMASK 寄存器都用于异常或中断的屏蔽，每个异常（包括中断）都有一个优先等级，数值越小优先级越高，反之数值越大优先级越低。以上三个特殊寄存器可以基于优先级屏蔽异常，只有在特权访问等级才能对它们进行操作（非特权状态下的写操作会被忽略，而读取则会返回 0）。它们的默认值都为 0，即不屏蔽任何异常或中断。这些寄存器的编程模型如下图所示：

PRIMASK 寄存器是位宽为 1 的中断屏蔽寄存器。在置位时，它会阻止不可屏蔽中断（NMI）和 HardFault 异常之外的所有异常（包括中断）。实际上，它的原理是将当前异常优先级提升为 0，这也是可编程异常/中断的最高优先级。PRIMASK 最常见的用途是在一些时间要求很严格的进程中禁止所有中断，在该进程完成后，需要将 PRIMASK 清除以重新使能中断。

FAULTMASK 和 PRIMASK 非常相似，不过它还能屏蔽 HardFault 异常，它实际上是将异常优先级提升到了 -1。错误处理代码可以使用 FAULTMASK 以免在错误处理期间再次触发其他错误（只有几种）。例如， FAULTMASK 可用于旁路 MPU 或屏蔽总线错误（这些都是可配置的），这样，错误处理代码执行修复措施也就更容易了。与 PRIMASK 不同， FAULTMASK 在异常返回时会被自动清除。

BASEPRI 会根据优先级屏蔽异常或中断。BASEPRI 的宽度取决于设计中实际实现的优先级数量，这通常是由微控制器供应商决定的。大多数 Cortex-M3 或 Cortex-M4 微控制器都有 8 个或 16 个可编程的异常优先级，此时 BASEPRI 的宽度就相应地为 3 位或者 4 位。BASEPRI 为 0 时不会起作用，当被设置为非 0 数值时，他就会屏蔽具有相同或更低优先级的异常（包括中断），而更高优先级的则仍然会被处理器接受。

CMSIS-Core 提供了多个 C 函数用于访问 PRIMASK、FAULTMASK、及 BASEPRI 寄存器。（这些寄存器只能在特权等级下访问）

x = __get_BASEPRI(); // 读 BASEPRI 寄存器
x = __get_PRIMARK(); // 读 PRIMASK 寄存器
x = __get_FAULTMASK(); // 读 FAULTMASK 寄存器
__set_BASEPRI(x); // 设置 BASEPRI
__set_PRIMASK(x); // 设置 PRIMASK
__set_FAULTMASK(x); // 设置 FAULTMASK
__disable_irq(); // 设置 PRIMASK, 禁用 IRQ
__enable_irq(); // 清除 PRIMASK, 使能 IRQ

同时也可以使用汇编代码访问这些寄存器：

MRS r0, BASEPRI ; 将 BASEPRI 寄存器的值读入 R0
MRS r0, PRIMASK ; 将 PRIMASK 寄存器的值读入 R0
MRS r0, FAULTMASK ; 将 FAULTMASK 寄存器的值读入 R0
MSR BASEPRI, r0 ; 将 R0 寄存器的值写入 BASEPRI 
MSR PRIMASK, r0 ; 将 R0 寄存器的值写入 PRIMASK 
MSR FAULTMASK, r0 ; 将 R0 寄存器的值写入 FAULTMASK

此外，利用修改处理器状态（CPS）指令，可以非常方便地设置或清除 PRIMASK 和 FAULTMASK 的值：

CPSIE i ; 使能 interrupt (清除 PRIMASK)
CPSID i ; 禁用 interrupt (设置 PRIMASK)
CPSIE f ; 使能 interrupt (清除 FAULTMASK)
CPSID f ; 禁用 interrupt (设置 FAULTMASK)

CONTROL 寄存器

CONTROL 寄存器中包含了如下两个主要信息：

• 栈指针的选择（主栈指针 MSP 和 进程栈指针 PSP）。

• 线程模式的访问等级（特权级和非特权级）。

其编程模型如下：

具体的位域描述为：

位	描述
CONTROL[1] (SPSEL)	定义栈指针的选择  0=选择主栈指针 MSP（复位后缺省值）  1=选择进程栈指针 PSP  在线程或基础级（没有在响应异常），可以使用 PSP。在 handler 模式下， 只允许使用 MSP，所以此时不得往该位写 1。
CONTROL[0] (nPRIV)	定义线程模式中的特权等级 0=特权级的线程模式  1=用户级的线程模式  Handler 模式永远都是特权级的。

复位后，CONTROL 寄存器默认为 0，这意味着处理器此时处于线程模式，具有特权访问权限并且使用主栈指针。通过写 CONTROL 寄存器，特权线程模式的程序可以切换栈指针的选择或进入非特权访问等级，如下图所示：

不过，nPRIV（CONTROL[0]）置位后，运行在线程模式的程序就不能访问 CONTROL 寄存器了。

运行在非特权等级的程序一般情况下无法再切换回特权访问等级，这样就提供了一个基本安全的模型。例如，嵌入式系统中可能会具有运行在非特权等级且不受信任的应用，这些应用的访问权限就需要受到限制，以免不可靠的程序引起系统的崩溃。

若需要在线程模式切换回特权访问等级，则需要借助于异常机制。在异常处理期间，处理程序可以清除 nPRIV 位。在返回到线程模式后，处理器就会进入特权访问等级。

若使用嵌入式 OS，每次上下文切换时都可以重新编程 CONTROL 寄存器，以满足应用间不同特权访问等级的需要。

nPRIV 和 SPSEL 的设置有 4 种组合方式，其中 3 种在实际应用中较为常见：

nPRIV	SPSEL	应用场景
0	0	简单应用，整个应用运行在特权访问等级，主程序和中断处理只会使用一个栈，即主栈 MSP
0	1	具有嵌入式 OS 的应用，当前执行的任务运行在特权级线程模式，当前任务选择使用进程栈指针 PSP，而 MSP 则用于 OS 内核以及异常处理
1	1	具有嵌入式 OS 的应用，当前执行的任务运行在非特权级线程模式，当前任务选择使用进程栈指针 PSP，而 MSP 则用于 OS 内核以及异常处理
1	0	线程模式运行在非特权访问等级，且使用 MSP，在 Handler 模式下可以观察到，而在用户任务中一般不会使用，这是因为在多数嵌入式 OS 中，应用任务的栈和 OS 内核以及异常处理使用的栈是相互独立的

对于未使用嵌入式 OS 的多数简单应用，无须修改 CONTROL 寄存器的数值，整个应用可以运行在特权访问等级并且只使用 MSP：

要利用 C 语言访问 CONTROL 寄存器，可以使用符合 CMSIS 的设备驱动库提供的以下函数：

x = __get_CONTROL(); // 读取当前 CONTROL 寄存器的值
__set_CONTROL(x); // 设置 CONTROL 寄存器的值为 x

如果使用汇编，则可以借助于 MRS 和 MSR 指令：

MRS r0, CONTROL   ;将 CONTROL 寄存器的值读到 r0
MSR CONTROL, r0   ;将 r0 中的值写到 CONTROL 寄存器

最后，你可以通过检查 CONTROL 和 IPSR 的数值来确定当前是否为特权等级：

int in_privileged(void) {if (__get_IPSR() != 0)return 1;  // Trueelse if ((__get_CONTROL() & 0x1) == 0)return 1;  // Trueelsereturn 0;  // False
}