2020年01月07日 | cortex-M3 异常和中断

问题：

1、如何开启、关闭中断

2、如何开启、关闭异常

3、程序只跳转一次时，把跳转需要返回地址直接存储在寄存器LR中。多次跳转呢？

基础概述：

操作模式：

Cortex‐M3 支持 2 个模式和两个特权等级。handler模式和线程模式；  特权级和用户级。

cortex-M3 寄存器组：

Cortex‐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。--影子寄存器

如下图：

这里，R13作为堆栈指针寄存器SP（Stack Pointer），R14作为链接寄存器LR（Link register），R15作为程序计数器PC（program counter）；

R0-R12：通用寄存器

R0‐R12 都是 32 位通用寄存器，用于数据操作。但是注意：绝大多数 16 位 Thumb 指令只能访问 R0‐R7，而 32 位 Thumb‐2 指令可以访问所有寄存器。

Banked R13：两个堆栈指针

Cortex‐M3 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。

主堆栈指针（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）---master SP

进程堆栈指针（PSP）：由用户的应用程序代码使用。 ---process SP

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。==>u32 的 0x2000 00Fc=......1111 1100b，即最低两位总是0，能够被4整除，不会出现0x2000 00FE这种地址于SP中。

ARM中异常：

凡是打断程序顺序执行的事件，都被称为异常(exception)。除了外部中断外，当有指令执行了“非法操作”，或者访问被禁的内存区间，因各种错误产生的fault，以及不可屏蔽中断发生时，都会打断程序的执行，这些情况统称为异常。在不严格的上下文中，异常与中断也可以混用。另外，程序代码也可以主动请求进入异常状态的（常用于系统调用）。

R14：连接寄存器

当呼叫一个子程序时，由 R14 存储返回地址。

不像大多数其它处理器，ARM为了减少访问内存的次数（访问内存的操作往往要3 个以上指令周期，带MMU和cache的就更加不确定了），把返回地址直接存储在寄存器中。这样足以使很多只有1级子程序调用的代码无需访问内存（堆栈内存），从而提高了子程序调用的效率。如果多于1级，则需要把前一级的R14值压到堆栈里。在ARM上编程时，应尽量只使用寄存器保存中间结果，迫不得以时才访问内存。在RISC处理器中，为了强调访内操作越过了处理器的界线，并且带来了对性能的不利影响，给它取了一个专业的术语：溅出。

R15：程序计数寄存器

指向当前的程序地址。如果修改它的值，就能改变程序的执行流。

特殊功能寄存器

Cortex‐M3 还在内核水平上搭载了若干特殊功能寄存器，包括：

程序状态字寄存器组（PSRs）

中断屏蔽寄存器组（PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI）

控制寄存器（CONTROL） 

特殊功能寄存器只能被专用的 MSR 和 MRS指令访问，而且它们也没有存储器地址。

MRS  ,  ;读特殊功能寄存器的值到通用寄存器 

MSR  ,   ;写通用寄存器的值到特殊功能寄存器 

程序状态寄存器（PSRs 或曰 PSR）

程序状态寄存器在其内部又被分为三个子状态寄存器：

应用程序 PSR（APSR）

中断号 PSR（IPSR） 

执行 PSR（EPSR） 

通过 MRS/MSR 指令，这 3 个 PSRs即可以单独访问，也可以组合访问（2 个组合，3 个组合都可以）。当使用三合一的方式访问时，应使用名字“xPSR”或者“PSR”。

关于ICI/IT、T： 

ICI：在中断延迟中有提到，与LDM/STM的处理机制有关。LDM/STM是一串LDR/STR的速度优化版。于是，为了加速中断的响应，CM3支持LDM/STM指令的中止和继续，就好像它们只是普通的一串LDR/STR一样。为了实现“指令撕裂与粘合”的目的，需要记录中断时数据传送的进程。为此，CM3在xPSR中开出若干个“ICI位”，记录下一个即将传送的寄存器是哪一个（LDM/STM在汇编时，都把寄存器号升序排序）。在服务例程返回后，xPSR被弹出，CM3再从ICI bits中获取当时LDM/STM执行的进度，从而可以继续传送。 

这个办法听起来是个好主意，只是在个别情况下还有一点限制： 

IF‐THEN(IT)指令的执行也需要在xPSR中使用几个位，可它需要的位刚好与ICI位重合（类似C中的union）——both ICI bits和IT条件都记录在EPSR中。所以，如果在IF‐THEN中使用了LDM/STM，则不再记录LDM/STM 

的执行进度。但尽管如此，及时响应中断依然是首要任务。此时只好把LDM/STM取消，待中断返回后继续执行。

详见：cortex-M3权威指南

PRIMASK/FAULTMASK/BASEPRI

这三个寄存器用于控制异常的使能和除能。

PRIMASK 这是个只有1个位的寄存器。当它置1时， 就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下NMI

和硬 fault可以响应。它的缺省值是 0，表示没有关中断。

FAULTMASK 这是个只有1个位的寄存器。当它置 1时，只有NMI 才能响应，所有其它的异常，

包括中断和 fault，通通闭嘴。它的缺省值也是0，表示没有关异常。

BASEPRI 这个寄存器最多有9 位（由表达优先级的位数决定）。它定义了被屏蔽优先级的阈

值。当它被设成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关（优先级号

越大，优先级越低）。但若被设成0，则不关闭任何中断，0 也是缺省值。 

对于时间‐关键任务而言，PRIMASK 和 BASEPRI 对于暂时关闭中断是非常重要的。而FAULTMASK 则可以被 OS 用于暂时关闭 fault 处理机能，这种处理在某个任务崩溃时可能需要。因为在任务崩溃时，常常伴随着一大堆 faults。在系统料理“后事”时，通常不再需要响应这些 fault——人死帐清。总之 FAULTMASK 就是专门留给 OS用的。

要访问 PRIMASK, FAULTMASK 以及 BASEPRI，同样要使用 MRS/MSR 指令。只有在特权级下，才允许访问这 3个寄存器。

其实，为了快速地开关中断，CM3还专门设置了一条 CPS指令，有4种用法 ：

CPSID I   ;PRIMASK=1，  ;关中断 

CPSIE I  ;PRIMASK=0，  ;开中断 

CPSID F  ;FAULTMASK=1,  ;关异常 

CPSIE F  ;FAULTMASK=0  ;开异常 

控制寄存器（CONTROL）

控制寄存器用于定义特权级别，还用于选择当前使用哪个堆栈指针。

CONTROL[1] ：

在 Cortex‐M3的 handler 模式中，CONTROL[1]总是 0。在线程模式中则可以为 0 或 1。 仅当处于特权级的线程模式下，此位才可写，其它场合下禁止写此位。改变处理器的模式也有其它的方式：在异常返回时，通过修改 LR 的位 2，也能实现模式切换。--详见权威指南

CONTROL[0] 

仅当在特权级下操作时才允许写该位。一旦进入了用户级，唯一返回特权级的途径，就是触发一个（软）中断，再由服务例程改写该位。

如前所述，特权等级和堆栈指针的选择均由 CONTROL 负责。当 CONTROL[0]=0 时，在异常处理的始末，只发生了处理器模式的转换，如下图所示。

中断前后的状态转换：

但若 CONTROL[0]=1（线程模式+用户级），则在中断响应的始末，both  处理器模式和特权等极都要发生变化，如下图所示。

CONTROL［0］只有在特权级下才能访问。用户级的程序如想进入特权级，通常都是使用一条“系统服务呼叫指令（SVC）”来触发“SVC 异常”，该异常的服务例程可以选择修改CONTROL[0]。 当然，其他的异常也可。

一个指定PSP 进行更新的例子：

LDR R0, =0x20008000 

MSR PSP, R0 

BX LR ;

如果是从异常返回到线程状态，则使用新的PSP 的值作为栈顶指针

SVC(supervisor call)和PendSV（可悬起系统调用），

参见：cortex-M3 的SVC、PendSV异常，与操作系统(ucos实时系统)

异常类型

异常类型，优先级以及位置。位置是指与向量表开始处的字偏移。在优先级列中，数字越小表示优先级越高。表中还显示了异常类型的激活方式，及是同步的还是异步的标注。

渐渐地认清自己的状况，这么多年了，菜鸟依旧伴着我。

开/关中断

CM3专门设置的CPS指令，有四种用法：

CPSID I   ;PRIMASK=1，  ;关中断 

CPSIE I  ;PRIMASK=0，  ;开中断 

CPSID F  ;FAULTMASK=1,  ;关异常 

CPSIE F  ;FAULTMASK=0  ;开异常 

CMSIS-M3微控制器软件接口标准中的core_cm3.h也给出了开关中断或异常的函数：

/**

 * @brief  Set the Priority Mask value

 *

 * @param  priMask  PriMask

 *

 * Set the priority mask bit in the priority mask register

 */

static __INLINE void __set_PRIMASK(uint32_t priMask)

{

  register uint32_t __regPriMask         __ASM("primask");

  __regPriMask = (priMask);

}

说明：

使用__set_PRIMASK(1)关闭中断；__setPRIMASK(0)开启中断。

__INLINE是宏定义，对应__inline，这是keil编译器自定义关键字，表示这个函数是内联函数，但并不是强制性内联，编译器最终决定是否内联。

__ASM(“primask”): __ASM也是一个宏，对应__asm,这是keil编译器自定义关键字，关于这个关键字，有相当多的用法，可以在C中内嵌汇编语言、内嵌汇编函数、指定汇编标号以及本代码中的声明一个已命名寄存器变量。这里，已命名的寄存器是("primask")，也就是说寄存器变量__regPriMask等同于编译器已命名的primask。语法为：

register type var-name __asm(reg);

开/关异常

/**

 * @brief  Set the Fault Mask value

 *

 * @param  faultMask  faultMask value

 *

 * Set the fault mask register

 */

static __INLINE void __set_FAULTMASK(uint32_t faultMask)

{

  register uint32_t __regFaultMask       __ASM("faultmask");

  __regFaultMask = (faultMask & 1);

}

以上...