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本帖最后由 baiyongbin2009 于 2014-12-18 20:48 编辑 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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4.2.5 特殊功能寄存器
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。