Cortex-M CPU架构基础
寄存器简介
- Cortex-M 系列 CPU 的寄存器组里有 R0\~R15 共 16 个通用寄存器组和若干特殊功能寄存器，如下图所示。
- 通用寄存器组里的 R13 作为堆栈指针寄存器 (Stack Pointer，SP)；R14 作为连接寄存器 (Link Register，LR)，用于在调用子程序时，存储返回地址；R15 作为程序计数器 (Program Counter，PC)，其中堆栈指针寄存器可以是主堆栈指针（MSP），也可以是进程堆栈指针（PSP）。
- 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），可以通过 MSR/MRS 指令来访问特殊功能寄存器，例如：
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MRS R0, CONTROL ; 读取 CONTROL 到 R0 中 MSR CONTROL, R0 ; 写入 R0 到 CONTROL 寄存器中 -
程序状态字寄存器里保存算术与逻辑标志，例如负数标志，零结果标志，溢出标志等等。中断屏蔽寄存器组控制 Cortex-M 的中断除能。控制寄存器用来定义特权级别和当前使用哪个堆栈指针。
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如果是具有浮点单元的 Cortex-M4 或者 Cortex-M7，控制寄存器也用来指示浮点单元当前是否在使用，浮点单元包含了 32 个浮点通用寄存器 S0\~S31 和特殊 FPSCR 寄存器（Floating point status and control register）。
操作模式和特权模式
- Cortex-M 引入了操作模式和特权级别的概念，分别为线程模式和处理模式，如果进入异常或中断处理则进入处理模式，其他情况则为线程模式。
- Cortex-M 有两个运行级别，分别为特权级和用户级，线程模式可以工作在特权级或者用户级，而处理模式总工作在特权级，可通过 CONTROL 特殊寄存器控制；
- Cortex-M 的堆栈寄存器 SP 对应两个物理寄存器 MSP 和 PSP，MSP 为主堆栈，PSP 为进程堆栈，处理模式总是使用 MSP 作为堆栈，线程模式可以选择使用 MSP 或 PSP 作为堆栈，同样通过 CONTROL 特殊寄存器控制。复位后，Cortex-M 默认进入线程模式、特权级、使用 MSP 堆栈。
嵌套向量中断控制器
- Cortex-M 中断控制器名为 NVIC（嵌套向量中断控制器），支持中断嵌套功能。当一个中断触发并且系统进行响应时，处理器硬件会将当前运行位置的上下文寄存器自动压入中断栈中，这部分的寄存器包括 PSR、PC、LR、R12、R3-R0 寄存器。
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当系统正在服务一个中断时，如果有一个更高优先级的中断触发，那么处理器同样会打断当前运行的中断服务程序，然后把这个中断服务程序上下文的 PSR、PC、LR、R12、R3-R0 寄存器自动保存到中断栈中。
PendSV系统调用
- PendSV 也称为可悬起的系统调用，它是一种异常，可以像普通的中断一样被挂起，它是专门用来辅助操作系统进行上下文切换的；
- PendSV 异常会被初始化为最低优先级的异常。每次需要进行上下文切换的时候，会手动触发 PendSV 异常，在 PendSV 异常处理函数中进行上下文切换；