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

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

R12 没啥用
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
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
R15寄存器—PC寄存器
每取一次指令,PC的值会自动 + 8
各种状态寄存器
不必关心
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
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

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
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

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
在这里插入图片描述

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
在这里插入图片描述

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