ARM Cortex-M内核中系统堆栈

文章目录

有无OS的栈结构区别：
- 裸机的任务栈结构
- 带FreeRTOS操作系统的任务栈
ARM的寄存器有哪些
- 特殊寄存器有哪些
关于FreeRTOS中的SP寄存器
栈操作【压栈与弹栈的操作】
一般函数嵌套调用时sp指针的变化
Cortex-M内核的MSP与PSP作用

有无OS的栈结构区别：

裸机的任务栈结构

无OS的堆栈结构：此时每个任务的堆栈都在一起
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带FreeRTOS操作系统的任务栈

在FreeRTOS中对线程、进程没有明显区分，统一称为任务。

有OS的堆栈结构：每个任务都有独立栈空间，用于保存上下文信息和全局变量

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ARM的寄存器有哪些

ARM 架构的寄存器可以分为以下几类：

通用寄存器：ARM 架构有 17 个 32 位的通用寄存器，它们命名为 R0-R15，其中 R13-R15 被用作栈指针、链接寄存器（LR）和程序计数器（PC）。
状态寄存器：也称为程序状态寄存器（PSR），用于存储当前处理器的状态信息，例如条件码、中断使能位等。
特殊寄存器：包括控制寄存器、处理器 ID 寄存器、系统控制寄存器等，它们用于控制处理器的一些重要行为和特性。
浮点寄存器：ARMv7 架构引入了 VFP 协处理器，增加了 32 个浮点寄存器（S0-S31），可用于高精度浮点运算。

特殊寄存器有哪些

特殊寄存器是指在 ARM 架构中具有特殊用途的寄存器，包括以下几个：

控制寄存器（Control Register）：用于控制处理器的一些重要行为和特性，如异常处理、缓存设置等。
处理器 ID 寄存器（Processor ID Register）：用于标识处理器的类型和版本信息。
系统控制寄存器（System Control Register）：用于控制系统级的功能和特性，如内存管理单元（MMU）的设置、缓存控制等。
中断控制寄存器（Interrupt Control Register）：用于控制中断的使能和屏蔽，包括中断优先级、中断屏蔽位等。
定时器控制寄存器（Timer Control Register）：用于控制定时器的计数和触发方式，包括定时器的频率、计数模式等。
异常控制寄存器（Exception Control Register）：用于控制异常处理和异常向量表的地址。

这些特殊寄存器在 ARM 架构中扮演着关键的角色，可以控制和配置处理器的各种功能和特性，用于实现更高级的操作和控制。

关于FreeRTOS中的SP寄存器

一般来说Cortex-M系列有两种工作模式：

Thread Mode （线程模式）：程序按照编译好的代码顺序执行
Handler Mode（中断模式）：收到中断信号并执行中断处理函数

所以，Cortex-M系列内核使用了双堆栈，即MSP和PSP

MSP ： Main_Stack_Pointer 主栈
PSP ： Process_Stack_Pointer 任务栈
SP ：堆栈指针，指向最后一个被压入元素的地址

R13在任何时刻只能是其中一个，默认情况为MSP，可以通过控制寄存器：CONTROL寄存器的bit1来改变。
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关于MSP和PSP的选用，其是通过CONTORL寄存器来配置，仅在Thread Mode下才可设置CONTORL寄存器。一般情况下，没有必要使用PSP，除非是有os存在时，MSP用于os内核的sp，而PSP用于thread级app的sp，这两个sp需严格分开。

在编译器中，可以通过r13（R13）或sp（SP）来访问堆栈（具体是MSP和PSP由当时环境决定）；也可以通过指定的MRS、MSR指令来访问MSP和PSP。

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控制寄存器有两个用途，其一用于定义特权级别，其二用于选择当前使用哪个堆栈指针。由两个比特来行使这两个职能。

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在裸机开发中，CONTROL的bit1始终是0，也就是说裸机开发中全程使用程MSP，并没有使用PSP。在执行后台程序(大循环程序)SP使用的是MSP，在执行前台程序(中断服务程序)SP使用的是MSP。

在OS开发中，当运行中断服务程序的时候CONTROL的bit1是0，SP使用的是MSP；当运行线程程序的时候CONTROL的bit1是1，SP使用的是PSP。MSP是系统复位后（即其处于Handler Mode）的指定sp（vector table的前4Byte自动载入），用于处理异常中断。当结束Reset_Handler后，cpu进入正常运行状态（即其处于Thread Mode），仅在此状态下PSP才能被使用，当然MSP也可以使用。其后如有硬中断来临，则进入Handler Mode，如果硬件中断结束，则返回Thread Mode。

栈操作【压栈与弹栈的操作】

Cortex-M0中堆栈方向是向低地址方向增长，为满堆栈机制。堆栈操作是通过PUSH和POP来完成操作的。实际上，除了POP指令可以从栈顶中取数据外；MOV指令也可从任意位置取数据，但不会影响栈结构（即不影响其sp）

压栈与弹栈的操作：

压栈：SP先自减4，然后将待压入的数据存放到SP所指的地址
弹栈：从SP指针所指的地址读出数据，然后SP指针自增4

一般函数嵌套调用时sp指针的变化

在普通的函数嵌套调用中，当一个函数调用另一个函数时，程序会将当前函数的执行现场（包括 PC（程序计数器）、当前函数的状态、参数、返回地址等）保存在当前函数的栈帧中。接着，将栈指针 SP（stack pointer）移动到新的栈帧的栈顶位置（一般是上一个栈帧的底部位置），然后继续执行被调用的函数。

在这个过程中，SP 指针的变化如下：

进入被调用函数前：将当前函数的执行现场保存在当前函数的栈帧中，SP 指针不变。
进入被调用函数时：将新的栈帧的起始位置指定为上一个栈帧的底部，这个位置需要根据前一个栈帧的大小确定，即 SP 指针移动到新的栈帧的底部位置。
执行被调用函数时：如果有局部变量，则将这些变量分配在新的栈帧中。此时，SP 指针可能会进一步移动到这些变量的内存起始位置。
返回到调用函数时：将被调用函数的返回值或状态存储在新的栈帧中，并且将 SP 指针恢复到上一个栈帧的底部位置，以便取出当前函数的执行现场，同时恢复上一个栈帧中的现场并继续执行。

需要注意的是，在函数嵌套调用过程中，递归调用、多层嵌套和异常处理等情况会使 SP 指针的变化更加复杂。因此，在编写和调试程序时，需要仔细注意栈帧的大小、内存分配和释放以及异常处理等问题，以确保程序的正确性和稳定性。