ARM学习（5） 异常模式学习（CortexM3/M4）

笔者来聊聊对CortexM3/M4的异常模式理解。

之前的了解，都是基于具体的芯片而言的，比如ST/GD/NXP公司的，STM32，很常用，基于Keil或者IAR集成开发环境，一直到工作之后，才更清楚的了解了架构这种概念，这种芯片本质上还是基于CortexM3/M4这种架构的，各种厂商都是基于这种架构进行开发的，然后添加很多外设，满足不同的功能需求。

1、通用寄存器

寄存器首先是架构的不可或缺的一部分，也是了解架构编程模型的重要地方。

1.寄存器 ，r0-r12，r13（sp），r14（lr），r15（pc）

2.状态寄存器PSR：APSR、EPSR、IPSR

T:thumb指令，总是为1
异常编号：正常处理的异常编号，与接下来介绍的中断向量表编号相关，
NZCV：标志位，

与经典的arm架构相比（比如arm7 ），M系列做了很多改变。
模式：模式减少，只有特权模式和非特权模式（均是在线程下，异常模式自动是特权等级），
堆栈：只有主栈+线程栈，MSP+PSP，不像经典架构，每个模式都有各自独立的栈。
寄存器：减少，模式下除了SP，其他寄存器都是共享，经典架构下，寄存器较多，各个模式下都有几个独立的寄存器。
异常：异常也有变化，新增hard fault等，将svc模式转为svc的函数处理，等等

3.中断相关寄存器 ：PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI

a. PRIMASK：中断屏蔽位，1位宽，屏蔽除NMI以及hard_fault之外的中断
b. FAULTMASK：中断屏蔽位，1位宽，屏蔽除NMI之外的所有中断
c . BASEPRI：当前优先级设置，位数取决于厂商有多少个外设中断，
d. CMSIS-Core 提供了多个C函数，可以访问中断相关寄存器，也提供了汇编函数

x = __get_BASEPRI(); // Read BASEPRI register
x = __get_PRIMARK(); // Read PRIMASK register
x = __get_FAULTMASK(); // Read FAULTMASK register
__set_BASEPRI(x); // Set new value for BASEPRI
__set_PRIMASK(x); // Set new value for PRIMASK
__set_FAULTMASK(x); // Set new value for FAULTMASK
__disable_irq(); // Set PRIMASK, disable IRQ
enable_irq(); // Clear PRIMASK, enable IRQ
; 汇编代码
MRS r0, BASEPRI ; Read BASEPRI register into R0
MRS r0, PRIMASK ; Read PRIMASK register into R0
MRS r0, FAULTMASK ; Read FAULTMASK register into R0
MSR BASEPRI, r0 ; Write R0 into BASEPRI register
MSR PRIMASK, r0 ; Write R0 into PRIMASK register
MSR FAULTMASK, r0 ; Write R0 into FAULTMASK register
;primask 以及 faultmask 特殊处理
CPSIE i ; Enable interrupt (clear PRIMASK)
CPSID i ; Disable interrupt (set PRIMASK)
CPSIE f ; Enable interrupt (clear FAULTMASK)
CPSID f ; Disable interrupt (set FAULTMASK)

• Control寄存器：
  nPRIV：设置特权等级还是非特权等级
  SPSEL：选择主栈还是线程栈
  之前介绍的，异常永远是特权模式，且使用主栈。
  
  这里有两种情况：（通常RTOS中栈切换版本会使用进程栈/线程栈 PSP，其他裸机情况下都使用的时候主栈MSP）
  a .进入异常模式之前是主栈：压栈使用主栈，然后切到异常函数下执行（下文图1），
  b. 进入异常模式之前是进程栈（线程栈）： 压栈使用进程栈，然后切到异常函数下执行，这时使用主栈，特权模式（下文图2）
  
  步奏：
• 线程模式下：使用主栈（MSP）
• 中断#1来临，首先使用主栈（MSP）压栈，然后切到中断服务程序#1，这时处于特权模式下，使用主栈（MSP）
• 中断#2来临：使用主栈进行压栈，然后切到中断服务程序#2执行，这时处于特权模式下，使用主栈（MSP）
• 中断#2结束：根据LR 选择 MSP主栈，进行出栈，同时还是处于特权模式下，
• 中断#1结束，根据LR选择MSP主栈，进行出栈，同时还是特权模式下执行
• 线程模式下：使用主栈继续执行
  
  步奏：
• 线程模式下：使用线程栈
• 中断#1来临，首先使用进程栈（PSP）压栈，然后切到中断服务程序#1，这时处于特权模式下，使用主栈（MSP）
• 中断#2来临：使用主栈进行压栈，然后切到中断服务程序#2执行，这时处于特权模式下，使用主栈（MSP）
• 中断#2结束：根据LR 选择 MSP主栈，进行出栈，同时还是处于特权模式下，
• 中断#1结束，根据LR选择PSP进程栈，进行出栈，同时切到线程非特权模式下执行
• 线程模式下：使用线程栈继续执行

上文说的：特权模式与图中的处理模式一致含义。

2、异常与中断

系统异常

• 复位：reset_handler，用来做系统初始化以及分散加载，最终跳到main函数，
• 异常函数处理：hard_fault,mem_mange_fault，bus_fault,usg_fault，处理各种异常
• SVC：常用来做系统调用，必须立即响应，否则造成硬件错误
• PendSV：RTOS常用该异常做上下文切换，因为该异常可以软件触发且挂起
• SysTick：定时中断，可用作滴答定时器

CortexM3/M4响应异常时，会有一些列的操作，

1. 入栈：硬件自动压入xPSR, PC, LR, R12以及R3‐R0
2. 取向量：取出正确的异常向量，这样能找到异常处理函数，
3. 选择堆栈指针：更新SP指针，更新PSR，更新PC，更新LR（EXC_RETURN），
   
   中断返回：
   1. 出栈：与入栈的顺序想对应，
   2. 更新NVIC寄存器：清除相关的中断或者异常标志位，

异常返回值LR （EXC_RETURN），异常处理LR在M3/M4架构下有新的意义，

中断

中断管理使用NVIC，嵌入式向量中断控制器进行管理，

3、参考

ARM Cortex-M3与Cortex-M4权威指南
Cortex-M3权威指南