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本帖最后由 baiyongbin2009 于 2014-12-18 20:48 编辑 特别说明：1. 本教程是安富莱电子原创。2. 安富莱STM32F407开发板资料已经全部开源，开源地址：地址链接3. 当前共配套300多个实例，4套用户手册。 第4章 Cortex-M处理器的OS特性 本期教程带领大家学习Cortex-M处理器的OS特性，主要是M3和M4，M4和M3反应在RTOS上，主要区别是M4多了一个浮点单元，用户可以根据需要选择是否使用浮点单元。本期教程主要学CM内核的操作模式，特权等级和双堆栈机制。这部分知识学习起来比较的枯燥，但是作为初学者一定要将本期教程认真的多看几遍，有兴趣继续学的，还需上ARM的官网多找些相关的资料进行学习，可以这么说，这部分知识直接关系着你对一款RTOS的认识程度。 4.1 内核的OS特性 4.2 寄存器组 4.3 操作模式和特权等级 4.4 双堆栈机制 4.5 内核相关的API函数 4.6 总结 4.1 内核的OS特性 为了更好的支持RTOS的运行，Cortex-M系列处理器在这方面做出了很多的努力。当前至少有30多款RTOS支持Cortex-M系列处理器，这个数量还在增 加，下面总结了几条ARM公司为了使Cortex-M系列处理器更好的支持RTOS运行所做的努力： l 双堆栈指针：MSP指针用于OS内核和中断，PSP指针用于任务。 l SysTick定时器：可以很方便的用于OS的时钟节拍，嘀嗒定时器在第10章：SysTick实验有详细的讲解。 l SVC和PendSV异常：实现RTOS，这两个异常是必须的，特别是任务切换的实现。 l 非特权级执行模式：程序运行在非特权级模式可以限制应用任务的访问权限，特权级模式和非特权级模式配合MPU（Memory Protection Unit 内存保护单元）可以有效的提高系统的鲁棒性。 l 独占式访问：独占式的存储和加载指令对于RTOS中的信号量和互斥操作的实现非常有用。 l 另外，低的中断延迟（可以降低任务切换的开销）和指令的各种特性使得RTOS可以有效的工作。 上面的这些特性对于提高RTOS的性能十分重要，当然，也不是每个RTOS都会用全这些特性，后面会跟大家具体的讲述，本期教程先把部分特性详细的讲解下。 4.2 寄存器组 Cortex-M4/M3处理器拥有R0-R15的寄存器组。其中R13作为堆栈指针SP。SP有两个，但在同一时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked”寄存器。 
寄存器从R0到R12是通用寄存器。R0-R7被称作lowregisters，由于指令集有限的可用空间，很多的16位指令只能访问这些寄存器。R8-R12被称作high registers，这些寄存器可用于32位指令和部分的16位指令，比如MOV指令。R0-R12的初始值是不定的。 4.2.2 堆栈指针寄存器 Cortex-M3/M4拥有两个堆栈指针，然而它们是banked，因此任一时刻只能使用其中的一个，指针的切换通过特殊寄存器CONTROL实现。当引用R13（或写作SP）时，引用到的是当前正在使用的那一个，另一个必须用特殊的指令来访问（MRS,MSR指令）。这两个堆栈指针分别是： l 主堆栈指针（MSP）：这是缺省的堆栈指针，它由OS内核、异常服务例程以及所有需要特权访问的应用程序代码来使用。 l 进程堆栈指针（PSP）：用于常规的应用程序代码（不处于异常服用例程中时）。 说起堆栈指针就必须得说一下堆栈（在前面3.1.2小节有简单讲解和举例，后面会详细展开讨论），堆栈指针用于访问堆栈，并且PUSH指令和POP指令默认使用SP。在Cortex-M3/M4中，有专门的指令负责堆栈操作——PUSH和POP。它俩的汇编语言语法如下例所演示： PUSH {R0} ; *(--R13)=R0。R13是long*的指针 POP {R0} ; R0= *R13++ 请注意后面程序的注释，它诠释了所谓的“向下生长的满栈”（在本期教程后面讲到任务切换时还要展开论述），Cortex-M3/M4就是以这种方式使用堆栈的。因此，在PUSH新数据时，堆栈指针先减一个单元。通常在进入一个子程序后，第一件事就是把寄存器的值先PUSH入堆栈中，在子程序退出前再POP曾经PUSH的那些寄存器。另外，PUSH和POP还能一次操作多个寄存器，如下所示： subroutine_1 PUSH {R0-R7, R12,R14} ; 保存寄存器列表 … ; 执行处理 POP {R0-R7, R12, R14} ; 恢复寄存器列表 BX R14 ; 返回到主调函数 在程序中为了突出重点，可以一直把R13写作SP。在程序代码中，both MSP和PSP都被称为R13/SP。不过，我们可以通过MRS/MSR指令来指名道姓地访问具体的堆栈指针。MSP，亦 写作SP_main，这是复位后缺省使用堆栈指针，服务于操作系统内核和异常服务例程；而PSP，亦写作SP_process，典型地用于普通的用户线程中。 寄存器的PUSH 和POP 操作永远都是4 字节对齐的——也就是说他们的地址必须是0x4,0x8,0xc,……。事实上，R13的最低两位被硬线连接到0,并且总是读出0（Read AsZero）。 这里有两点大家要特别注意： Ø 大多数情况下的应用，只需使用指针MSP，而PSP多用于RTOS中。 Ø 堆栈指针的最低两位永远是0，这意味着堆栈总是4字节对齐的。 4.2.3 连接寄存器 R14也称作Link Register (LR)，当调用子程序或者函数时，这个函数用于保存返回地址。函数或者子程序结束时，程序将LR中的地址赋给PC返回到调用函数中。当调用子程序或者函数时，LR中的数值是自动更新的，如果此函数或者子程序嵌套调用其它函数或者子程序，需要保存LR中的数值到堆栈中，要不LR中的数值会由于函数调用而丢失。 在中断服务程序中，LR中的数值自动更新给EXC_RETURN（(Exception Return），然后在中断服务程序的末尾触发异常返回。 尽管Cortex-M处理器的返回地址是偶数（bit 0 = 0，因为指令需要半字对齐），LR的BIT 0是可读可写的，一些分支和调用操作需要LR的bit 0置一来表示Thumb状态（这是历史遗留的产物，CM3/CM4只需此位可读写）。 4.2.4 程序计数器 R15是程序计数器，在汇编代码中一般我们都都叫它的外号“PC”。 因为 CM3/CM4内部使用了指令流水线，读PC时返回的值是当前指令的地址+4。比如说： 0x1000: MOV R0, PC ; R0 = 0x1004 如果向PC中写数据，就会引起一次程序的分支（但是不更新LR寄存器）。CM3/CM4中的指令至少是半字对齐的，所以PC的LSB总是读回0。然而，在分支时，无论是直接写PC的值还是使用分支指令，都必须保证加载到PC的数值是奇数（即LSB=1），用以表明这是在Thumb状态下执行。倘若写了0，则视为企图转入ARM模式，CM3将产生一个fault异常。 |
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本帖最后由 baiyongbin2009 于 2014-12-18 20:30 编辑 4.2.5 特殊功能寄存器 Cortex-M3/M4中的特殊功能寄存器包括： l 程序状态寄存器组（PSRs或曰xPSR） l 中断屏蔽寄存器组（PRIMASK, FAULTMASK,以及BASEPRI） l 控制寄存器（CONTROL） 它们只能被专用的MSR/MRS指令访问，而且它们也没有与之相关联的访问地址。 MRS <gp_reg>, <special_reg> ;读特殊功能寄存器的值到通用寄存器。 MSR <special_reg>, <gp_reg> ;写通用寄存器的值到特殊功能寄存器。 这三组特殊功能寄存器都比较重要，初学者要有一定的了解。 l 程序状态寄存器组（PSRs或曰xPSR） 程序状态寄存器在其内部又被分为三个子状态寄存器： Ø 应用程序PSR（APSR） Ø 中断号PSR（IPSR） Ø 执行PSR（EPSR） 通过MRS/MSR指令，这3个PSRs即可以单独访问，也可以组合访问（2个组合，3个组合都可以）。当使用三合一的方式访问时，应使用名字“xPSR”或者“PSR”。下图是三个子状态分别使用的那几位。
这里特别注意GE（这个是CM4新加的，CM3没有）和中断号PSR（IPSR）,后面将SVC异常的时候要用到。 l 中断屏蔽寄存器组（PRIMASK, FAULTMASK,以及BASEPRI） 这三个寄存器非常重要，初学者一定要了解，能记住最好。这里建立一个简单的表格，方便大家查看。 
CONTROL[1] 在Cortex-M3/M4的handler模式中，CONTROL[1]总是0。在线程模式中则可以为0或1。因此，仅当处于特权级的线程模式下，此位才可写，其它场合下禁止写此位。改变处理器的模式也有其它的方式：在异常返回时，通过修改LR的位2，也能实现模式切换。这是LR在异常返回时的特殊用法，颠覆了对LR的传统使用方式。 前面已经讲到，在进入异常服务程序后，将自动更新LR的值为特殊的EXC_RETURN。EXC_RETURN中高28位全为1的值，只有[3:0]的值有特殊含义，当异常服务例程把这个值送往PC时，就会启动处理器的中断返回序列。因为LR的值是由CM3/CM4自动设置的，所以只要没有特殊需求，就不要改动它。 下面是EXC_RETURN位段详解。 
如果主程序在线程模式下运行，并且在使用MSP时被中断，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFF9（主程序被打断前的LR已被自动入栈）。 如果主程序在线程模式下运行，并且在使用PSP时被中断，则在服务例程中LR=0xFFFF_FFFD（主程序被打断前的LR已被自动入栈）。 CONTROL[0] 仅当在特权级下操作时才允许写该位。一旦进入了用户级，唯一返回特权级的途径，就是触发一个（软）中断，再由服务例程改写该位。 CONTROL寄存器也是通过MRS和MSR指令来操作的： MRS R0, CONTROL MSR CONTROL, R0 4.2.6 浮点寄存器 Cortex-M4处理器提供了可选的浮点单元用于浮点数据处理，浮点单元还包含一个状态控制寄存器FPSCR，每个32位浮点寄存器S0-S31（S代表single precision单精度）可以通过浮点指令进行访问。也可以每两个为一对，也就是D0-D15（D代表double-precision双精度）进行访问。 
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4.3 操作模式和特权等级 Cortex-M3/M4支持两个模式（handler模式，也就是中断模式和线程模式）和两个特权等级（特权级和非特权级，这里将其称为用户级）：
当处理器处在线程状态下时，既可以使用特权级，也可以使用用户级；另一方面，handler模式总是特权级的。在复位后，处理器进入线程模式＋特权级。 在特权级下的代码可以通过置位CONTROL[0]来进入用户级。而不管是任何原因产生了任何异常，处理器都将以特权级来运行其服务例程，异常返回后，系统将回到产生异常时所处的级别。用户级下的代码不能再试图修改CONTROL[0]来回到特权级。它必须通过一个异常handler，由那个异常handler来修改CONTROL[0]，才能在返回到线程模式后拿到特权级。下图是特权级线程模式和用户级线程模式的切换图： 
一些简单的应用程序是不需要用户级线程模式的，如下图所示： 
把代码按特权级和用户级分开对待（当前流行的RTOS中，RTX支持此功能，用户可根据自己的需要进行配置），有利于使CM3/CM4的架构更加安全和健壮。例如，当某个用户程序代码出问题时，不会让它成为害群之马，因为用户级的代码是禁止写特殊功能寄存器和NVIC中断寄存器的。另外，如果还配有MPU，保护力度就更大，甚至可以阻止用户代码访问不属于它的内存区域。 为了避免系统堆栈因应用程序的错误使用而毁坏，我们可以给应用程序专门配一个堆栈，不让它共享操作系统内核的堆栈。在这个管理制度下，运行在线程模式的用户代码使用PSP，而异常服务例程则使用MSP。这两个堆栈指针的切换是智能全自动的，就在异常服务的始末由硬件处理。 如前所述，特权等级和堆栈指针的选择均由CONTROL负责。当CONTROL[0]=0时，在异常处理的始末，只发生了处理器模式的转换，如下图所示。 
但若CONTROL[0]=1（线程模式+用户级），则在中断响应的始末，both 处理器模式和特权等极都要发生变化，如下图所示。 
CONTROL［0］只有在特权级下才能访问。用户级的程序如想进入特权级，通常都是使用一条“系统服务呼叫指令（SVC）”来触发“SVC异常”，该异常的服务例程可以视具体情况而修改CONTROL[0]。 关于操作模式和特权级就跟大家说这么多，在讲解RTOS时，再跟大家详细讲解。有了上面的这些知识我们就可以讲解双堆栈机制了。 |
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本帖最后由 baiyongbin2009 于 2014-12-18 20:43 编辑 4.4 双堆栈机制 讲解双堆栈机制之前，大家要先对CM3/CM4对堆栈的处理方式有一个基本的了解。在CM3/CM4中，除了可以使用PUSH和POP指令来处理堆栈外，内核还会在异常处理的始末自动地执行PUSH与POP操作。 4.4.1 堆栈的基本操作 笼统地讲，堆栈是一种存储器的使用模型。它由一块连续的内存和一个栈顶指针组成，用于实现“后进先出”的缓冲区（堆栈是LIFO的模式，和咱们前面讲的按键FIFO和串口FIFO不一样，别搞混了）。其最典型的应用，就是在数据处理前先保存寄存器的值，再在处理任务完成后从中恢复先前保护的这些值。堆栈操作就是对内存的读写操作，但是访问地址由SP给出。寄存器的数据通过PUSH操作存入堆栈，以后用POP操作从堆栈中取回。 在PUSH与POP的操作中，SP的值会按堆栈的使用法则自动调整，以保证后续的PUSH不会破坏先前PUSH进去的内容。下面的图片摘自Cortex-M4权威指南，看起来更形象。简单演示了PUSH操作和POP操作过程，堆栈地址由下往上表示从低地址到高地址，也就是所谓的“向下生长的满栈”模型。 Cortex-M3/M4使用的就是“向下生长的满栈”模型（这个要谨记，后面讲RTOS任务切换的时候要用到）。堆栈指针SP指向最后一个被压入堆栈的32位数值。在下一次压栈时，SP先自减4，再存入新的数值。 
堆栈的功能就是把寄存器的数据临时备份在内存中，以便将来能恢复之——在一个任务或一段子程序执行完毕后恢复。正常情况下，PUSH与POP必须成对使用，而且参与的寄存器，不论是身份还是先后顺序都必须完全一致。当PUSH/POP指令执行时，SP指针的值也根着自减/自增。 主程序 子程序 ; R0=X, R1=Y,R2=Z BL Fx1 -------------------------------> Fx1 PUSH {R0 } ;把R0存入栈 & 调整SP PUSH {R1} ;把R1存入栈 & 调整SP PUSH {R2} ;把R2存入栈 & 调整SP … ;执行Fx1的功能，中途可以改变R0-R2的值 POP {R2} ;恢复R2早先的值 & 再次调整SP POP {R1} ;恢复R1早先的值 & 再次调整SP POP {R0} ;恢复R0早先的值 & 再次调整SP BX LR ;返回 <------------------------------------------- ;回到主程序 ;R0=X, R1=Y,R2=Z （调用Fx1的前后R0-R2的值完好无损，从寄存器上下文来看，就好像什么都没发生过一样）。 PUSH/POP指令支持一次操作多个寄存器。在前面1.2.2小节有说明。 |
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4.4.2 堆栈空间的分配 为了让大家对堆栈有一个深入的了解，这里以STM32-V5开发板提高篇的第一个例子F4-001_按键检测和LED控制例程(V1.1)跟大家讲解下。在启动文件中定义了堆栈的大小： Stack_Size EQU 0x00004000 Heap_Size EQU 0x00000400 在main函数中添加malloc函数的调用，要不无法看到heap的使用情况。 uint32_t *p; p = (uint32_t*)malloc(sizeof(uint32_t)*100); //申请400个字节 首先用MDK全编译工程，打开.map文件： 
工程文件生成的map文件信息量很大，涉及到的知识也很多，这里就先说下我们关系的堆栈空间的分配，看之前简易初学者再看看第6章STM32F4XX启动过程详解。 Image Symbol Table Local Symbols Symbol Name Value OvType Size Object(Section) HEAP 0x200021c0 Section 1024 startup_stm32f4xx.o(HEAP) STACK 0x200025c0 Section 16384 startup_stm32f4xx.o(STACK) Global Symbols Symbol Name Value OvType Size Object(Section) __heap_base 0x200021c0 Data 0 startup_stm32f4xx.o(HEAP) __heap_limit 0x200025c0 Data 0 startup_stm32f4xx.o(HEAP) __initial_sp 0x200065c0 Data 0 startup_stm32f4xx.o(STACK) Memory Map of the image Execution Region RW_IRAM1 (Base: 0x20000000,Size: 0x000065c0, Max: 0x00020000, ABSOLUTE) Base Addr Size Type Attr Idx E Section Name Object 0x20000000 0x0000000d Data RW 322 .data bsp_timer.o 0x2000000d 0x00000001 Data RW 423 .data bsp_uart_fifo.o 0x2000000e 0x00000010 Data RW 694 .data stm32f4xx_rcc.o 0x2000001e 0x00000002 PAD 0x20000020 0x00000014 Data RW 1293 .data system_stm32f4xx.o 0x20000034 0x00000004 Data RW 1621 .data mc_w.l(stdout.o) 0x20000038 0x00000004 Data RW 1630 .data mc_w.l(mvars.o) 0x2000003c 0x00000004 Data RW 1631 .data mc_w.l(mvars.o) 0x20000040 0x000000ad Zero RW 174 .bss bsp_key.o 0x200000ed 0x00000003 PAD 0x200000f0 0x00000030 Zero RW 320 .bss bsp_timer.o 0x20000120 0x000020a0 Zero RW 422 .bss bsp_uart_fifo.o 0x200021c0 0x00000400 Zero RW 643 HEAP startup_stm32f4xx.o 0x200025c0 0x00004000 Zero RW 642 STACK startup_stm32f4xx.o 上面的这些信息还不够直接，这里借助Cortex-M3权威指南中的一个截图进行说明。 
先解释下这个截图的含义：在离开复位状态后，CM3做的第一件事就是读取下列两个32位整数的值 l 从地址0x0000,0000处取出MSP的初始值（也就是上面的0x20008000）。 l 从地址0x0000,0004处取出PC的初始值——这个值是复位向量，LSB必须是1。然后从这个值所对应的地址处取指。 请注意，这与传统的ARM架构不同——其实也和绝大多数的其它单片机不同。传统的ARM架构总是从0地址开始执行第一条指令。它们的0地址处总是一条跳转指令。在CM3/CM4中，在0地址处提供MSP的初始值，然后紧跟着就是向量表（向量表在以后还可以被移至其它位置） 。向量表中的数值是32位的地址，而不是跳转指令。向量表的第一个条目指向复位后应执行的第一条指令。 因为CM3/CM4使用的是向下生长的满栈，所以MSP的初始值必须是堆栈内存的末地址加1。举例来说，如果你的堆栈区域在0x20007C00-0x20007FFF之间，那么MSP的初始值就必须是0x20008000。 向量表跟随在MSP的初始值之后——也就是第2个表目。要注意因为CM3/CM4是在Thumb态下执行，所以向量表中的每个数值都必须把LSB置1（也就是奇数）。正是因为这个原因，上图中使用0x101来表达地址0x100。当0x100处的指令得到执行后，就正式开始了程序的执行。在此之前初始化MSP是必需的，因为可能第1条指令还没来得及执行，就发生了NMI或是其它fault。MSP初始化好后就已经为它们的服务例程准备好了堆栈。 对于不同的开发工具，需要使用不同的格式来设置MSP初值和复位向量。有些则由开发工具自行计算并生成。现在接着上面的.map文件进行说明，这个文件里面有一项是： __initial_sp 0x200065c0 其实__initial_sp就是MSP的初始值，下面这个是Debug状态下的截图，MSP初始值和__initial_sp是一样的，也就是MDK帮我们计算好了MSP初始值。 
这里就跟大家讲这么多，后面的教程中继续的完善。 |
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4.5 内核相关的API函数 要访问上面提到的寄存器，可以通过ARM官方提供的CMSIS软件包，里面有个文件core_cmdFunc.h，相关API函数就在里面，提供了三个版本的函数支持：MDK，IAR，GCC。这里将MDK版本的函数摘录出来，方便大家查看。
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4.6 总结 对于初学者一下子掌握这么多的东西比较的困难，这里总结一下主要的几点，一般应用记住这几点即可，需要的时候再查阅这个知识点相关的内容： l 系统复位后默认使用的是MSP,复位后的状态是特权级线程状态，在这个状态下是允许修改寄存器的。进入到用户特权以后就不能修改这些寄存器了。 l 用户特权的情况（也就是用户建立的非中断服务程序）下可以使用MSP或PSP，特权模式（中断服务程序）只能使用MSP。 l 还有很重要的一条就是。假如在用户模式下使用的是PSP,那么寄存器的数值被保存到任务堆栈的空间，进入中断程序后就开始使用MSP,如果还有一个高优先级的中断难么就继续的使用MSP,在程序推出最后一级中断的时候就用用户堆栈恢复寄存器。 l Cortex-M4的堆栈模型是向下生长的满栈。 下期教程会做两个相关的例子帮大家深入的理解CM4内核方面的知识。 参考资料： 1. Patterns fortime-triggered embedded systems英文版和中文版 2. Cortex-M3权威指南中文版 3. TheDefinitive Guide to Arm Cortex-M3 and Cortex-M4 Processors（M4权威指南） |
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