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操作模式和特权级别

两种操作模式

用以区分普通应用程序的代码和异常中断服务例程的代码

处理者模式 : Handler模式。异常服务例程所在的模式。这个模式永远是使用MSP堆栈指针。

线程模式 : 主应用程序所在的模式

两种特权分级

提供一种存储器访问的保护机制，使得普通的用户程序代码不能执行涉及到要害的操作。

特权级别 : 在特权级别下，程序可以访问所有范围的存储器，并且可以执行所有指令。

用户级别 : 一般模式

异常服务例程必须在处理者模式下，以特权级执行
主应用程序必须在线程模式下执行，但既可以使用特权级，也可以使用用户级
复位后，处理器默认进入线程模式以及特权级访问
从用户级进入特权级的唯一方法是触发异常，比如软中断。

系统寄存器

通用功能寄存器

R0-R7 : 低组寄存器。所有指令都能访问。它们的字长是32位。复位后初始值是不可预料的。

绝大数16位指令只能使用低组，部分16位指令能够访问高组。32位Thumb-2指令可以使用所有通用寄存器。
通过专用的指令来访问特殊功能寄存器

R8-R12 : 高组寄存器。他们也是32位字长。复位后初始值不可预料。

R13 : 堆栈指针，sp，双堆栈机制，有两个堆栈指针。
- 主堆栈指针，MSP，SP_main，它由OS内核、异常服务程序、所有需要特权访问的应用程序代码来使用。简单的应用程序只使用MSP就够了。 - 进程堆栈指针，PSP，SP_process，用于非异常服务程序的常规应用程序。 - 堆栈指针用于访问堆栈，执行PUSH指令和POP指令，

R14 : 连接寄存器，LR
用于在调用子程序之前，存储返回地址。

R15 : 程序计数器，PC，可读
读PC时返回的值是当前读指令的地址＋4。如0x1000:MOV R0,PC ;R0＝0x1004
关于对pc进行写操作时，会引发程序的分支和内核模式的改变，以及引发异常

EXC_RETURN
在进入异常服务程序后，LR寄存器的值自动更新为此值，用以设置异常处理返回后的处理器模式和堆栈指针种类
[31:5]位，保留，全为1。
[4]位，设置硬件自动压栈大小。为0时，压入26个字的空间。为1时，压入8个字的空间。若不使用FPU时，总为1，否则，与CONTROL[4]相反。 CM3没有FPU。 3，为0时，返回后进入Handler模式。为1时，返回后进入线程模式。
2，为0时，从主堆栈中做出栈操作，返回后使用MSP。为1时，从进程堆栈中做出栈操作，返回后使用PSP。
1，保留，必须为0。
0，为0时，返回ARM状态。为1时，返回Thumb状态。必须为1。

特殊功能寄存器

他们只能被MSR和MRS指令来访问

MRS 通用寄存器,特殊功能寄存器;读出特殊功能寄存器
MSR 特殊功能寄存器,通用寄存器;写入

程序状态寄存器组

通过MSR和MRS指令，这三个寄存器可以单独访问，也可以组合访问xPSR或PSR。

APSR : 应用程序状态寄存器
只有[31:27]位有效

IPSR : 中断号状态寄存器
只有[8:0]位有效

EPSR : 执行状态寄存器
只有[26:24]位和[15:10]位有效

中断屏蔽寄存器组

用于控制异常的使能和除能。 只有在特权级下，才能访问中断屏蔽寄存器 除了MSR和MRS指令，还增加了CPS指令来操作他们

MRS R0,BASEPRI;读取寄存器到R0
MSR PRIMASK,R0;写入R0到寄存器
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

PRIMASK : 只有一个位有效。为1时，关闭所有可屏蔽的异常。默认为0。

异常中，中断是可屏蔽的，NMI和硬件Fault异常不可屏蔽

FAULTMASK : 只有一个位有效。为1时，关闭所有可控的异常。默认为0。这个寄存器专门给OS使用的。

异常中，屏蔽包括中断和硬件Fault异常，但NMI异常不可屏蔽。

BASEPRI : 最多有9个位有效。用以定义被屏蔽优先级的阈值。
当它被设置成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关。缺省值为0，即不关闭任何中断。

优先级号越大，优先级越低

控制寄存器

CONTROL : 用于定义特权级别和堆栈指针的使用。 同样是使用MSR写和MRS读指令来操作。 [31:2]位，保留
[1]位，决定堆栈指针的选择。为0时，选择MSP，这是缺省值。为1时，选择PSP。

在特权级别的线程模式下，这个位才可写，即选择堆栈指针，才可以使用PSP。 在用户级别的线程模式和handler模式下，只允许使用MSP，所以总是为0，即此时不能将该位写1。
改变处理器模式的方法见目录:R14寄存器、操作模式和特权级别。
一旦进入了用户级，唯一自定义返回特权级的途径是触发一个软中断，然后通过服务程序改写该位。

[0]位，决定线程模式的级别。为0时，选择特权级的线程模式。为1时，选择用户级别的线程模式。

在特权级下才允许写该位。 注意，另外的handler模式永远都是特权级的

堆栈

向下生长的满栈模型

入栈压栈PUSH : SP指向最后一个被压入的元素的数值，下一次压栈时，SP先自减4，再存入新元素的数值。

出栈弹栈POP : 从SP指针处读出上一次被压入的值，再把SP指针自增4，等待下一次出栈。

中断现场的保留

ISR时压栈和出栈 : 在进入ISR时，内核会自动把一些寄存器压栈，使用进入ISR之前的堆栈种类。离开ISR时，若系统控制寄存器的位1没有更改过，则依然使用这个堆栈来弹栈。

内核只会把xPSR＋PC＋LR＋R12＋R0-R3，其余的R4-R11就需要用户手动入栈，而且入栈顺序不能乱。
用来保存中断现场数据的堆栈空间部分称为Stack frame，该区域存储时涉及是否使用双字对齐和有无FPU的问题

双堆栈机制

通过控制寄存器的位1来实现在线程模式和处理者模式下，两种堆栈指针的切换使用 特权级别下，用户可以任意操作两种堆栈指针，不受当前程序存储的堆栈限制。

多任务中的上下文切换

系统调用

SVC异常

SVC原理

系统服务调用，亦简称系统调用
用于产生系统函数的调用请求，因为操作系统不让用户程序直接访问硬件，而是通过提供一些系统服务函数，用户程序使用SVC发出对系统服务函教的呼叫请求，以这种方法调用它们来间接访问硬件。因此，当用户程序想要招制特定的硬件时，它就会产生一个SVC异常，然后操作系统提供的SVC异常服务例程得到执行，它再调用相关的操作系统函数，后者完成用户程序请求的服务。这种“提出要求——得到满足”的方式，很好、很强大、很方便、很灵活、很能可持续发展。

SVC作用

• 第一，也是最核心的作用，使应用层和硬件层隔离。

它使用户程序从控制硬件的 繁文缛节中解脱出来，而是由内核负责控制具体的硬件。 - 第二，使内核代码更具有可测性

内核的代码可以经过充分的测试，从而能使系统更加健壮和可靠。 - 第三，使应用层更安全和自由，无权损坏实际硬件

它使用户程序无需在特权级下执行，用户租序无需承担因误操作而瘫唤整个系统的风险。 - 第四，使应用层开发更具有可移植性、易开发性

通过SVC的机制，还让用户程序变得与硬件无关，因此在开发应用程序时无需了解硬件的操作细节，从而简化了开发的难度和繁琐度，并且使应用程序跨硬件平台移植成为可能，开发应用程序唯一需要知道的就是操作系统提供的应用编程接口（API），并且了解各个请求代号和参数表，然后就可以使用SVC来提出要求了，

其实，严格地讲，操作硬件的工作是由设备驱动程序完成的，只是对应用程序来说，它们也是操作系统的一部分

SVC执行步骤

SVC指令产生SVC异常，而且它需要一个立即数，充当系统调用代号。SVC异常服务例程会提取代号，然后解释本次调用的具体要求，调用相应的服务函数。

SVC 0x3;调用3号系统服务

PendSV异常

可悬起的系统调用，与SVC协同使用

PendSV应用场景

典型应用场景是上下文切换，即在不同任务之间切换。

PendSV和SVC的区别

一方面，，SVC异常是必须立即得到响应的，应用程序执行SVC时都是希望所需的请求立即得到响应 另一方面，PendSV则不同，它是可以像普通的中断一样被悬起的（不像SVC那样会上访）。内核可以利用它“缓期执行一个异常，直到其它重要的任务完成后才执行动作

悬PendSV的方法

: 用户将NVIC的PendSV 悬起寄存器中写1，悬起后，如果优先级不够高，则将缓期等待执行。

运行过程分析

程序运行发生事件的流水账

- 任务开始  

（1）任务A呼叫SVC来请求任务切换（例如，等待某些工作完成)
（2）内核接收到请求，做好上下文切换的准备，并且pend一个PendSV异常。
（3）当CPU退出SVC后，它立即进入PendSV，从而执行上下文切换。

- 上下文切换

（4）当PendsV执行完毕后，将返回到任务B，同时进入线程模式。  
（5）发生了一个中断，并且中断服务程序开始执行
（6）在ISR执行过程中，发生SysTick异常，并且抢占了该ISR
（7）内核执行必要的操作，然后pend 起Pendsv异常以作好上下文切换的准备、
（8）当SysTick退出后，回到先前被抢占的ISR中，ISR继续执行
（9） ISR执行完毕并退出后，Pendsv服务例程开始执行，并且在里面执行上下文切换

- 完成一次上下文切换

（10)当PendSV 执行完毕后，回到任务A，同时系统再次进入线程模式。