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萌新求助，求大佬详细介绍ARM Cortex -M体系结构

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2021-10-25 09:06:56　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × liutiefu 该类别下有 13 个回答。邀请回答 kasdlak 该类别下有 11 个回答。邀请回答 yuxiangxyz 该类别下有 11 个回答。邀请回答 fansz 该类别下有 10 个回答。邀请回答 szj0213 该类别下有 10 个回答。邀请回答 dfgsdf 该类别下有 10 个回答。邀请回答 uuwyfsdfsf 该类别下有 10 个回答。邀请回答 gXDhn 该类别下有 9 个回答。邀请回答剪刀脚该类别下有 9 个回答。邀请回答胡扯123 该类别下有 9 个回答。邀请回答乔伊斯e 该类别下有 9 个回答。邀请回答山中老虎该类别下有 9 个回答。邀请回答哥儿该类别下有 9 个回答。邀请回答悬崖勒马2 该类别下有 9 个回答。邀请回答 uvysdfydad 该类别下有 8 个回答。邀请回答邓长生该类别下有 8 个回答。邀请回答 lining870815844 该类别下有 8 个回答。邀请回答程序诗人该类别下有 8 个回答。邀请回答 fhdgxfvx 该类别下有 8 个回答。邀请回答 pingnai 该类别下有 8 个回答。邀请回答举报回头太晚相关推荐 • 萌新求助，求大佬详细介绍一下stm32S型加减速算法 611 • ARM体系结构是怎样的？ 1840 • 萌新求助，求ARM内核架构和SOC架构的详细资料 1115 • 求各种指导:STM32系列（Cortex-M3）电源控制的研究 4076 • Cortex系列处理器是从ARM哪个架构开始的？ 2390 • 萌新求助，关于ARM版本号的知识介绍的太仔细了 964 • 萌新求助，求大佬详细介绍霍尔信号/编码器信号与电机转向的知识点 989 • ARM的体系结构是由哪些部分组成的 1463 • 如何对ARM+DSP体系架构进行调试？ 1479 • 萌新求助，求关于ARM发展史及各时期内核的知识点 1501 1个回答

答案对人有帮助，有参考价值 0 ARM的发展过程对于ARM公司来讲，ARM公司只做CPU设计，采用出售IP的方式运营，半导体产商无需自己设计CPU，是生产关系的革命，提高了生产力。下面这张图ARM核的多个系列，我们可以看到ARM从V7核开始，就分为了A,R和M三个系列，分别对应高端的多媒体计算，中间的实时性系统以及低端的微控制器，而为控制器对应着我们学习的这个领域，Cortex-M系列的来讲，它保持了高度的兼容性。 32位 ARM Cortex M位单片机寄存器组在数据和地址的通用寄存器角度，ARM Cortex M 系列的单片机都基本上有如下所示的寄存器组，从R0-R15一共16个寄存器构成了单片机的内部寄存器组从上图可以看到从R0-R12是单片机的通用寄存器组，，R13,R14和R15是特殊功能的寄存器。 R13是单片机的堆栈指针寄存器：它保存的值是一个地址，表征的是单片机中的堆栈空间所被使用掉的空间所在的地址，在这个地址往上就是堆栈还未使用的空间，从这个地址往下就是堆栈已经使用掉的空间。 R14是单片机的连接寄存器：它所保存的也是一个地址，所表征的是当程序发生一次函数嵌套调用时，用于保存子函数的返回地址，这样的机制使得当函数发生一次嵌套调用时，不必将函数的返回地址进行压栈，加快了程序运行的效率 R15是单片机的程序计数器程序计数器又被称为单片机的PC指针寄存器，在分析CPU的运行机制的时候，我们知道，PC指针寄存器是用来保存待执行指令的地址的，也就是指令中即将运行的下一条指令的地址。特殊功能寄存器对于通用计算机CPU模型的时候，会存在一个状态寄存器，来保存CPU在运算时的得0，得1，溢出的这些状态。另外，对于CPU来讲，我们还需要有一些设置的功能，对于通常的8位或者16位CPU来讲，通常都会把设置的这个功能合在一个寄存器里，包括开关中断，包括运算状态，而在ARM的体系结构里，ARM把刚刚所述的归总在下图所示的5个寄存器中，图中最上面的xPSR是用来保存CPU设置状态的，第二个PRIMASK是用来设置中断的开和关的，它是一个中断开关，最下面的CONTROL寄存器，它只有1-2个bit可以使用，是用来设置CPU的实际工作模式和状态的。第三个寄存器FAULTMASK的功能是用来配置不可屏蔽中断的开和关，BASEPRI寄存器具备按优先级关闭中断的功能。上图所示的寄存器在ARM Cortex M系列是一致兼容的，主要的区别在于对ARM Cortex M3和 ARM Cortex M3的单片机来讲，FAULTMASK和BASEPRI两个寄存器是可以使用的，但是对于M0的核是没有的。 xPSR寄存器 xPSR是一个32位的寄存器，每一位都有特定的功能，便于程序员对其进行访问，并获得CPU此刻的状态。为了编程的方便，这个寄存器有三个别名，分别是APSR,IPSR,EPSR.我们用三个别名来加以访问的时候，只关注和读取其中特定的字段来实现单一的功能。 APSR(应用程序状态寄存器) 当我们使用APSR来访问这个寄存器的时候，读到的主要是高四位的值，后面如图所示是Reserve的。那么这高四位的值入如所示，存的分别是： N:是否有得0 Z:是否有负数 C:是否有借位进位 Q:是否有溢出这些位随着指令的运行会被CPU自动的更新，而又可能被后续的指令拿来作为程序判断和跳转的依据。 IPSR（中断程序状态寄存器）从图中可以看到他的高位是Reserve的，我们主要读到的是后面的这几位，这几位保留的是当发生中断的时候，发生异常的时候，这个中断的中断号。 EPSR(可执行程序状态寄存器) 这一位能读的只是T这一位，来记录单片机是否发生了异常或者是否发生了中断。 PRIMASK寄存器由图中可以看到，这是一个只有一位可读的寄存器，当他置1时，就关闭掉了所有的可屏蔽的异常，换句话说，他能够控制所有中断的使能或者关闭，是中断的总开关。 CONTROL 寄存器这个寄存器有两个比特可以使用，分别是nPRIV和SPSEL,对于nPRIV来说，它决定了CPU是工作在用户态还是特权态，在M0和M0+这两种核上，CPU是不支持这两种状态的。对于SPSEL来说，它的功能是规定了单片机所使用的堆栈是主堆栈还是进程堆栈。对于主对栈指针和进程堆栈指针来说，当我们不使用操作系统的时候，它只有一个，当我们使用操作系统的时候，堆栈指针就出现主堆栈指针和进程堆栈指针，他们分别指向内存的两个不同的区域，因此这两个区域一个给我们的操作系统的内核来使用，一个区域给用户程序来使用，也就是任务来使用，这样当任务跑飞的时候，对堆栈使用出现问题的时候，不会使得整个操作系统崩溃。 CPU的工作状态上图表示了CPU的工作状态，对于M0 和M0+的CPU来讲，它的工作模式只有图中左边的那一列。线程模式它工作在跑普通的程序，我们称是程序的线程模式，也就是说，当单片机在跑我们所写的main函数或者是main函数所调用的子函数的时候，我们认为是工作在线程模式之下的。 handler模式 handler它对应的是当它发生中断的时候，去响应中断的那个状态特权级和用户级当使用的是M3或者M4的CPU的时候，为了考虑实时操作系统的使用，考虑到实时操作系统内核和用户程序的区分，因此出现了用户态和特权态。用户态就是操作系统的事件运行所在的状态，而特权态就是运行操作系统内核时单片机所处的状态，而这种特权态到用户态，用户态到特权态的这种跳转，需要一次特殊的中断调用才能得以实现。不同内核之间的指令集的差异从图中我们可以看到最中间的绿色的指令集是ARM Cortex M0和M1的指令集，蓝色的区域是ARM Cortex M3的指令，紫色的是ARM Cortex M4的指令集，粉色的是ARM Cortex M4F的指令集，我们可以看到这些指令集是向下兼容的。 ARM架构单片机运行详细例子例子中涉及到的汇编指令： NOP:不做任何操作，不做任何事 MOVS:移动数据，更新APSR寄存器 PUSH:将寄存器中的数据压入堆栈 POP:将数据从堆栈中弹出并放入寄存器 BL:跳转到子函数，跟新LR寄存器 BX:从子函数中返回要执行的指令第一步运行蓝色箭头指向的是当前已经执行完了的指令，经过这条指令，NOP，什么也没做，但是相应的PC指针要发生一定的变化，PC指针代表的是指令中即将运行的下一条指令的地址。因此涉及到的变量变化为： SP = 0x20002ff8 PC = 0x00000804 r4 = xx r5 = xx LR = xx 内存空间的变化如下图所示：第二步运行这条指令的意思是将18这个十进制数放入r4寄存器中，执行这条指令之后，所涉及的相关变量有了如下变化： SP = 0x2000 2ff8 PC = 0x0000 0806 r4 = 0x0000 0012(12是十进制18的十六进制转换) r5 = xx LR = xx 第三步运行这条指令的意思是将十进制52复制给r5这个寄存器，指令执行完毕后设计的相关变量变化如下： SP = 0x2000 2ff8 PC = 0x0000 0808 r4 = 0x0000 0012 r5 = 0x0000 0034（十进制的52）对应的内存空间没有发生改变。第四步运行这条语句的意思是将r4寄存器的值进行压栈，执行这个操作后涉及的变量发生了如下的变化： SP = 0x2000 2ff4 PC = 0x0000 080a r4 = 0x0000 0012 r5 = 0x0000 0034 LR = xx 我们可以看到SP指针的值由于堆栈有新值得压入而减小了4个字节的大小，对应的内存空间发生了如下的变化: 第五步运行将r5寄存器的值压入堆栈，相应涉及到的变量发生了如下的变化： SP = 0x2000 2ff0 PC = 0x0000 080c r4 = 0x0000 0012 r5 = 0x0000 0034 LR = xx 从上述变化的值我们可以看到因为r5寄存器值压入堆栈，从而导致了堆栈寄存器的值又减少了4，对应的内存空间变化如下：第六步运行第六条指令的意思是跳转到子函数的执行，执行这条指令后，涉及到的变量变化为： SP = 0x2000 2ff0 PC = 0x0000 0814 r4 = 0x0000 0012 r5 = 0x0000 0811 LR = 0x0000 0811 上述变量的变化，我们可以看到PC指针指向了子函数的第一条指令的地址，相对应的堆栈指针的值没有发生变化，这是因为在ARM32位处理器架构上，当函数发生一级调用的时候，函数的返回地址并不进行压栈，而是将返回地址保存在LR寄存器上，也就是R14寄存器上。因此LR的值发生改变，但是改变的值却是0x0000 0811,但是对于ARM32位的处理器来说，它的地址全是偶数，这是因为ARM 指令的一个向下兼容性，当这个保存的返回地址的最低位是1的时候，函数跳转和任何函数返回的时候，CPU仍然工作在Thumb指令集状态下，而如果变成了0就告诉CPU在返回的时候应该切换到ARM指令集的模式，因为现在使用的是ARM Cortex M的系列，所以函数返回的时候，自动的把最低位置为1，而在返回的时候，这一位被忽略，只取它偶数的部分作为我们的返回地址，存的信息是0811，实际的信息是返回Thumb模式，回到0x0000 0810 这个地址。第七步运行这条指令的作用是什么也没干，涉及到的相关变量发生了如下的变化： SP = 0x2000 2ff0 PC = 0x0000 0816 r4 = 0x0000 0012 r5 = 0x0000 0034 LR = 0x0000 0811 可以看到上述寄存器中，发生变化的寄存器是PC指针寄存器，寄存器的值变为了子函数的下一条指令。对应的内存空间没有发生变化。第八步运行这条指令的意思是从子函数中返回，并把LR寄存器中的值赋值给PC指针，因此涉及到的变量发生了如下的变化： SP = 0x2000 2ff0 PC = 0x0000 0810 r4 = 0x0000 0012 r5 = 0x0000 0034 LR = 0x0000 0811 可以看到此时PC指针的值就是之前放入LR寄存器中的值（去除末尾的1）. 对应的内存空间没有发生变化。第九步运行上述的指令的意思是从堆栈中弹出一个数并赋值给r4寄存器，经过这条指令后，涉及到的相关变量发生了如下的变化： SP = 0x2000 2ff4 PC = 0x0000 0812 r4 = 0x0000 0034 r5 = 0x0000 0034 LR = 0x0000 0811 首先因为堆栈中的数据被弹出，因此堆栈指针要加4，指令运行结束，PC指针的值也要进行更新，而刚才的指令是把堆栈中的值弹出来赋值给r4寄存器，因此r4寄存器的值也进行了更新。相应的内存空间发生了如下的变化：第十步运行在这一步指令的作用是堆栈中弹出一个值然后赋值给r5寄存器，所涉及到的变量变化分别为： SP = 0x2000 2ff0 PC = 0x0000 0814 r4 = 0x0000 0034 r5 = 0x0000 0012 LR = 0x0000 0811 由此可知，当执行最后一条指令时，堆栈中的数据被弹出赋值给r5，PC指针寄存器的值发生变化，SP指针的值加4，对应的内存空间如下图所示：总结回顾上面的十个过程，我们会发现，指令运行结束之后，r4和r5寄存器的值发生了调换，发生调换的原因是因为我们使用了堆栈这样的一种机制，堆栈的特性是先入后出的，因此最开始把r4和r5寄存器的值依次压入堆栈，取的时候的顺序和压入堆栈的顺序却是刚好相反的，因此也就造成了最终的r4和r5寄存器的值发生了调换。

2021-10-25 10:51:18 评论举报胡皓