STM32F4 programming manual_1

1. 处理器模式与特权等级

处理器模式分为以下两种:

  • 线程模式:

    用来执行应用软件;

    处理器从reset出来时,进入线程模式;

    CONTROL寄存器控制软件的执行状态时特权的还是非特权的。

  • 处理模式:

    用来处理异常;

    完成异常处理后,进入线程模式;

    该模式下,软件运行在特权等级上。

特权等级有以下两种:

  • 非特权:

    对于MSR、MRS指令受限的权限,不能使用CPS指令;

    不能使用系统定时器、NVIC、系统控制块;

    对于部分内存和外设的访问受限

    必须使用SVC指令来执行超级访问者调用以控制特权等级的软件

  • 特权:

    可以使用所有指令,访问所有资源。

    可以写CONTROL寄存器来改变软件执行的特权等级。

2. 栈

处理器使用向下增长的栈,这意味着栈指针指向栈内存的最后一个成员。当处理器将数据压入栈时,首先将栈指针减小相应的字节数,然后将数据写入栈指针所指的内存地址。处理器使用了两个的栈main stackprocess stack,他俩拥有栈指针的独立拷贝。

在线程模式下,CONTROL寄存器控制处理器使用哪个栈(main stack or process stack)。在处理模式下,处理器总是使用 main stack。

处理器模式 用途 特权等级
线程模式 运行应用 特权 或 非特权 main stack or process stack
处理模式 处理异常 总是特权 main stack

3. 核心寄存器

  • 通用寄存器

    R0-R12 是32位通用寄存器,其中R0-R3四个寄存器可用于参数传递与结果返回。

  • 栈指针SP

    R13用于存储栈指针,在线程模式下,CONTROL寄存器的bit[1]表示使用哪个栈(main stack or process stack)。

    bit[1] = 0: 使用主栈main stack pointor(MSP), 这是reset时设置的值,也就是默认值。

    bit[1] = 1:使用process stack pointor(PSP)

    reset时,MSP被装载0x00000000.

  • 链接寄存器LR

    R14用于存储链接指针,主要是在发生函数调用的场合,LR寄存器存储子函数的返回地址。发生指令跳转时,如BL指令,首先将PC中地址存入LR寄存器中,然后将跳转目的地址存到PC中。

    reset时,该值被置为0xFFFFFFFFF.

  • 程序计数器PC

    R15用于存储当前程序地址,reset时该寄存器装载reset向量的地址,这在地址 0x00000004的位置。

    reset时,bit[0]的值被装载到EPSR的T位,而且必须为1。

  • 程序状态寄存器PSR,该寄存器内存在几个互斥的位域可分别用以下寄存器表示。(同一个物理地址,几个不同名字)

    应用程序状态寄存器 APSR

    中断程序状态寄存器 IPSR

    异常程序状态寄存器 EPSR

  • CONTROL 寄存器

    该寄存器控制在线程模式下使用哪个栈以及软件运行的特权等级

    指示FPU状态是否激活

处理模式下,处理器总是使用MSP的,因此处理器会忽略对寄存器bit[1]的写入操作。

在OS环境中,建议线程运行在线程模式下使用PSP(process stack);kernel和异常处理使用MSP(main stack)。

默认情况下,线程模式使用MSP(main stack)。可以通过下面两种方式将栈指针切换到PSP。

  • 使用MSR指令,将CONTROL寄存器的bit[1]设置为1
  • 异常返回到线程模式时,使用一个合适的EXC_RETURN值。

当改变栈指针时,软件必须在使用MSR指令后,立即使用ISB指令。这保证了ISB指令之后的指令使用新的栈指针。

ISR指令是指令同步屏障(instruction synchronization barrier),它刷新了处理器的管道线,导致该指令之后的指令都要重新fetch。这条指令不会改变标志位。

The Cortex microcontroller software interface standard (CMSIS)

该标准定义了如下内容

  • 访问外设的方式
  • 定义异常向量的方式
  • 核心外设寄存器的名字
  • 核心异常向量的名字
  • 使用RTOS内核的设备无关接口,包括调试模式

CMSIS包含了Cortex-M4处理器核心外设的地址和数据结构定义

简化了软件开发过程

本文图表引用自《PM0214: STM32F3, STM32F4 and STM32L4 Series Cortex®-M4 programming manual》

本文参考ST官方文档《PM0214: STM32F3, STM32F4 and STM32L4 Series Cortex®-M4 programming manual》

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