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各位同学大家好

我是清华大学工程物理系的曾鸣老师

欢迎大家回到我们

ARM控制器与嵌入式系统的慕课课程

继续学习我们第三章基础知识的学习

那么在前面几个单元

我们逐步的进入了一个

真正的微控制器片上寄存器系统

特别是在前几个单元

深入一个CPU

看真正的我们汇编的指令

在这个CPU里是怎么运行起来的

我们学习了它的结构

它的寄存器组

它的编程模型

然后看这些指令

在这样一个结构里究竟怎么运行

那么上个单元

我们做了个小小的头脑体操

看了看一个十六位的MCU系统上

我们这个程序

究竟是怎么一步一步跑起来的

让大家觉得汇编程序是不是不再神秘

那么这个单元我们来进入32位的系统

特别是一点一点的来看看

我们要学习的对象

ARM Cortex M 的32位微处理器

它的结构究竟是什么样的有什么特点

当然最后我们还是会做一个头脑体操

看看ARM的指令汇编指令汇编程序

是怎么运行的

那么我们前面在第二章

已经学习过32位的系统

并不仅限于ARM一种体系结构

非常著名的一脉相承

从IBM的合作开始的

PowerPC 乃至从68k内核

一路继承下来的ColdFire

还有我们现在要学习的ARM

如果我们看看它的内部结构呢

也会发现各有特点

比如ColdFire的结构

就是由八个数据寄存器

和八个地址寄存器

每个都是三十二位

来组成了一个内部的寄存器组

再加上被复用为堆栈指针寄存器

PC指针寄存器和条件状态寄存器这样一些

特殊的寄存器构成了整个的编程模型

看起来比较简单

那么PowerPC的内核

就比它要复杂的多

我在这里不展开讲

只是给大家感受一下

当它在用户态的时候

它的内部寄存器

有这么一张图可以表示

而当它在特权态的时候

已经密密麻麻

多得大家一眼可能看不清楚了

那么我们学习的ARM是什么样的呢

在最初的学习

我们已经知道我们所学习的对象ARM

在v7核开始分成了

ARM Cortex A R和M

三个系列分别对应高端的多媒体计算

中间的实时系统和低端的微控制器

而微控制器所对应的

我们所学习的这个领域

M的核它保持了高度兼容性

我们后面会讲

不管从M0 M1乃至到M3 M4

和现在的M7等等

不同档次的ARM Cortex核

它内部的编程模型

保持了高度的一致和兼容

从寄存器上来看在数据和地址的

通用寄存器角度 ARM Cortex M的内核

不管是M几

它基本上都是这样一个寄存器组

从R0到R15

一共十六个32比特位宽的寄存器

构成了它的内部寄存器组

而这些寄存器当中从R0到R12

我们一般就当作通用的用途

而在芯片设计的时候R13 R14 R15

使用了类似的结构和指令来控制

但是它已经指定为了特定的用途

比方说R13规定为了

我们前面所反复讲到的

堆栈指针寄存器

它总是保存一个地址

你可以把它理解为

C语言类似一个指针对吧

那这个地址

总是指向我们堆栈所使用的内存地址

那R15呢

也就是我们前面

讲过很多次的程序计数器

也就是PC指针寄存器

它同样也保存一个地址

就是我们的程序运行到了第几条指令的

那个指令的地址

所以它的变化

就是我们前面反复讲

一条条指令运行的那个地址的更新

那么R14在前面没有讲过

但是隐隐约约也涉及到了

它是一个Link Register

它总是在函数调用子程序跳转的时候

自动保存一个函数

和子程序的返回地址

那有同学说

老师你不是讲这个返回地址

总是保存在堆栈里头吗

是的 但是我同样也讲过

最早的CPU

是用CPU内部的寄存器来保存返回地址的

后来因为函数的嵌套调用的层次

需要动态的变化

才开始发明和使用堆栈

而有了Link Register这样一种机制

使我们当发生单次调用的时候

能够使程序的跳转和调用变快很多

而如果发生嵌套有更多的地址

要保存的时候仍然还是会使用堆栈

那么这就是

R0到R15十六个CPU片内的

寄存器组的编程模型的一个概况

那么除了这些以外

我们当然说过CPU片内

还会有一些其它的寄存器

比如在讲通用计算机CPU模型的时候

我们会说有一个状态寄存器来保存

CPU内部的运算的得0

溢出等等这些状态对吧

那实际上我们对于CPU

还会要有些设置的功能

在前面讲过的8位16位的MCU里

往往都把它们合并在一个寄存器里

包括开关中断

包括这个运算状态

而在ARM的体结构里呢

它把它总体归纳成了这五个寄存器

其中的最上面的x这个PSR寄存器

总体来讲是保存各种CPU的设置状态的

便于我们读写访问待会会展开讲

那么第二个呢

PRIMASK呢是主要设置中断的开和关的

那么这是一个中断开关

给了一个独立的寄存器

那么最下面有Control register

它只有1到2个比特可以用

是设置这个CPU的实际的工作模式和状态的

那么中间用灰色遮挡掉的两个寄存器

分别控制不可屏蔽中断的开和关

以及按优先级关闭中断的功能

那么这五个寄存器在整个

ARM Cortex M系列里头是都一致和兼容的

唯一的区别就是在M3和M4的内核上

被我挡掉的这两个寄存器是有并且可以用的

而在我们这门课程所学习的M0+

乃至比它更低的M0的处理器上

这两个寄存器没有

所以我们所涉及的对象

只是白色的这三个寄存器

那么这三个寄存器在别的CPU上

就是刚才0812里头

就是一个寄存器就集成在里头不同的比特

而在ARM里为了操作的方便

把它分离出来讲解

但是实际上并没有变得复杂

那我们来看一下

程序状态寄存器

也就是xPSR这个寄存器

如我们所说它是一个32位的寄存器

那么xPSR这个32位的寄存器里头

每一个比特 都有它自己唯一的功能

便于我们对它进行访问获得CPU的一些状态

那么为了编程方便

这个寄存器非常有意思

它还有三个别名

我们用这三个别名

来加以访问的时候呢

只关注和读取其中特定的字段

来实现单一的功能

比如我们用APSR

这个名字来访问这个寄存器的时候

读到的主要是高四位的值

而后面都是属于reserved的

那么这高四位的值一点都不神奇

它存的就是是否有得0 是否有负数

是否有借位进位和是否有溢出

这样一些基本的指令运算产生的状态位

也就与我们在这一章的一个单元所讲的

那些位是完全一致的

那么这些位

随着每条指令的运行

会被CPU自动的更新

而又被后续的指令

可能拿来使用

作为程序判断和跳转的依据

而如果我们使用IPSR来访问

也就是这张图中间这一行

那么它的高位都是reserved

我们主要读到的是

最后面的几位

这几位呢是保留了我们

发生中断的时候发生异常的时候

那个中断的中断号

这我们在后面会讲中断

然后最后一个这个EPSR呢

主要就是中间有个T这一位

来记录我们

是否发生了异常和是否发生了中断

所以说这样一个32位寄存器好像很复杂

但是大家不要怕

其实有用的

还是原来那四位

那四位就进入了我们各种运算的状态

作为后面指令跳转的依据

这是它的体系结构

那么另外一个片内

会涉及到的寄存器呢

就是我们的优先级的

这个控制寄存器或者叫优先级MASK寄存器

但是在ARM Cortex M这个CPU上面

这个名称被得到高度简化

我们在这里使用的只是这个最低的这一位

这一位不是根据优先级来控制中断

而是控制了所有中断的使能或者关闭

所以大家在下一个单元

学习中断的时候会记住

在这里有这么一个位控制中断的总开关

这一个比特我们可以对它设置0或者1

那么最后还有一个寄存器呢

是CPU的一些状态的寄存器

那么CPU的状态的寄存器呢

有两个比特可以使用

我标成阴影的这个比特控制这个CPU

是工作在用户态还是特权态

那么在M0和M0+的CPU上这个态

是不加以区分的

就是CPU不支持这两种状态

所以这一位就是Reserved

而如果大家使用的是ARM Cortex M3

或者M4的CPU 这一位用来区分

CPU工作在用户态和特权态是可以设置的

那么BIT1也就第二个比特

它的功能是规定了

我们所使用的堆栈是主堆栈

还是进程堆栈

好这件事情可能在现在初学的同学

会觉得有点绕

那么我简单的说

在刚才讲通用寄存器的时候

观察细致的同学

如果没观察你可以倒回去看一下

会发现R0到R15那十六个寄存器当中

R13画了两遍

这是CPU设计上的一个技巧

也就是用来作为堆栈指针寄存器的R13

其实有两个

那么当我们用的是

我们自己写的程序的时候

我们完全感觉不到这些事情存在

它就是堆栈指针寄存器

如果有朝一日大家要在这样的CPU上

跑一个实时操作系统的时候

像这样的CPU设计

给大家留了一个非常好的功能

就是堆栈指针寄存器可以有两个

分别指向内存的两个不同的区域

所以这两个区域

一个给我们的操作系统的内核来使用

一个区域这个堆栈给我们的用户程序

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

不会使整个操作系统崩溃

这个比特就是设置当前程序

是使用主堆栈还是使用辅堆栈

当调用堆栈的时候

是根据主的那个R13

还是根据那个辅的R13

来寻找内存的地址

我不知道这么讲大家明白了没有

但是它的原理

其实非常的简单

也许大家日后倒过来再看这段会理解的更好

那么这样一系列的寄存器就构成了我们一个

ARM Cortex M的CPU的编程模型

那么这种编程模型

对于整个M0到M4的整个体系结构

是高度兼容的

所以呢

大家在理解的时候学一个

其它的就非常容易学习

这就是学习ARM的好处

那么除了这个寄存器的编程模型以外

如果我们这门课程是深入的学习

ARM Cortex M 那么还有几件事情

是我们不得不讲的

另外一件事情

就是CPU的工作状态

对ARM Cortex M0

M0+工作状态这张图上非常简单

就只是左侧这一列

也就是说它工作在跑普通的程序

我们称为是这个程序的

进程模式 Thread模式

那么说得更通俗一点

就是大家有用C语言编程

在跑大家的MAIN函数和MAIN函数

调用这些函数的时候

我们认为是在Thread模式

那么还有一个特殊状态是什么呢

就Handle模式句柄模式

它对应的是什么呢

对应的是下一段我们要讲的

当它发生中断的时候去响应中断的那个状态

所以M0和M0+的CPU MCU

它只在这两个状态里切换

进中断出中断

而如果大家使用的是M3和M4的MCU

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

它还在横着的这张表里出现了

用户态和特权来的区分

所以这样三种状态之间的加以切换

当从特权态进入用户态

用户态如果要返回系统内核 返回特权态

需要通过一次特殊的中断调用才能实现

所以有条件的同学在日后可以加以学习

但是无论如何大家理解M0 M1的MCU

是M3 M4 MCU的一个子集

并且高度兼容

那么这个概念 除了编程的模型

除了用户态再展开讲

回到我们第二章所讲过的指令集也是如此

大家回过头看这张图

感觉就会更加清晰

从指令集上来讲

类似的内部的编程模型寄存器

只是程序高度兼容的一个部分

还有一个重要的部分就是它们不同的CPU

所使用的指令集是否一样

换言之CPU拿到的0和1的序列

所代表的含义是否兼容

那么我们会看到

重新看这张图的时候会发现绿色的区域

是ARM Cortex M0 M1的CPU的指令集

也就是是那个绿色的这个五十多条指令

这当中包含了

绝大多数的十六位的Thumb指令只缺三条

然后和一部分的32位的Thumb-2指令

那么蓝色的区域

是在它基础上加以扩充的

ARM Cortex M3的指令集

所以它兼容支持所有ARM Cortex M0 M1

所拥有的指令

自己另外支持了额外的Thumb-2的32位指令

所以我们可以想象学习ARM的时候

我们学习一个子集

学习一个入门的CPU

我们能够非常容易学懂

而我们学习的所有的指令

所写的程序在更高级的CPU上

是高度兼并且可运行的

紫色的区域呢

是M4的内核的指令集

粉色的区域是M4f

增加的浮点运算的指令集

所以我们可以说

ARM的指令集体系结构

就是这么一步一步扩充的

而如果我们学习更高端的ARM

那么它可以不仅仅是

这里所列举的16位32位

混合的Thumb-2指令集

它还有纯32位的ARM指令集

可以进行两种状态之间的切换

这样扩展到R系列和A系列

这就是ARM的体系结构和学习的差异

如果我们多花一点点

来看我们所学习的这个

ARM Cortex M0+在这门课里这个CPU

这个MCU所处的位置就是这张表格

从最左边最简单的M0核 到M0+核

到最右边的M3 M4和 M SEVEN就是M7这样的核

那么它们之间所支持的指令集

就像这张表格所绘

分别对于16比特32比特

乃至重加运算 DSP运算

浮点运算的指令集的支持程度

是略有差异的

而这样一种差异

保证了它的向下兼容

根据不同的应用需要

可以进行不同的开发

另外一方面呢

作为初学者

我们学习一个相对简单

能够充分掌握的CPU 你的知识

可以非常好的延展到其它的系列上

因为它们在体系结构上是高度一致的

那么这些东西讲完也就是我们这门课

所要学习的

ARM Cortex M核的一些基本的概念

当然ARM Cortex M核

还有很多很多它的特殊性和概念

我们在后面的学习当中会更加详细的讲

在这个单元里讲过多可能大家会犯晕

那么我们仅就理解的这些寄存器和它的指令

在下个单元我们就来做一个头脑体操

看一看在这样一个ARM的核上

汇编程序怎么运行

看完了

大家就会对这个核的理解相信又上一个层次