Программирование ARM-контроллеров STM32 на ядре Cortex-M3. Часть 4.

Регистры, старт и режимы работы контроллеров STM32.

Часть 1. Установка MDK, создание проекта, основы Keil uVision

Часть 2. Команды и директивы ассемблера, структура и синтаксис программы. Первая программа для STM32.

Часть 3. Карта памяти контроллеров STM32, методы работы с памятью.

Часть 4. Регистры, старт и режимы работы контроллеров STM32.

Часть 5. Как залить прошивку в контроллер.

Часть 6. Настройка системы тактирования.

Часть 7. Работа с портами ввода-вывода.

Понимаю, что статья уже получилась довольно длинной и всем хочется поскорее написать какую-нибудь программулину, делающую хоть что-то полезное, и залить её в контроллер, но так уж вышло, что контроллеры STM32 несколько сложнее простейших восьмибитных железяк, поэтому сейчас речь снова пойдёт, как пишут некоторые нетерпеливые читатели, "не о том".

В этой части мы поговорим о том, с чем нам чаще всего придётся оперировать при работе с контроллером - о рабочих регистрах ядра Cortex-M3, о режимах его работы и о том, как контроллер включается.

Итак, в ядре Cortex-M3 имеется 13 регистров общего назначения - R0..R12, регистр, используемый для хранения указателя стека, - R13, регистр связи - R14, счётчик команд - R15 и 5 регистров специального назначения.

Регистры общего назначения разделяются на младшие регистры - R0..R7 и старшие регистры - R8..R12. Разница между ними в том, что некоторые 16-тибитные команды набора thumb-2 умеют работать только с младшими регистрами, а со старшими - не умеют.

Регистров R13 вообще-то говоря два, а не один. Первый называется MSP - указатель основного стека, а второй PSP - указатель стека процесса. Однако в каждый момент доступен только один из этих регистров. Какой именно - определяется в одном из регистров специального назначения. Зачем такое надо? Это сделано для возможности организации защиты операционной системы (ага, на этот контроллер можно поставить ОС, если хочется) от кривых прикладных программ. MSP используется обработчиками исключительных ситуаций и всеми программами, использующими привилегированный уровень выполнения (например ядро ОС), а PSP - используется программами, не требующими привилегированного уровня выполнения (например, прикладными программами от которых мы хотим защитить ядро ОС). Указатели стека всегда должны быть выровнены на границу 32-хбитного слова, т.е. два их младших бита всегда должны быть сброшены в ноль.

Регистр R14 называется LR (link register) - регистр связи и используется для запоминания адреса возврата при вызове подпрограмм.

Регистр R15 называется PC (program counter) - счётчик команд и используется для хранения адреса текущей выполняемой команды.

Теперь о специальных регистрах.

Регистр xPSR содержит флаги результатов выполнения арифметических и логических операций, состояние выполнения программы и номер обрабатываемого в данный момент прерывания. Иногда об этом регистре пишут во множественном числе. Это сделано потому, что к трём его частям можно обращаться как к отдельным регистрам. Эти "подрегистры" называются: APSR - регистр состояния приложения (тут как раз хранятся флаги), IPSR - регистр состояния прерывания (содержит номер обрабатываемого прерывания) и EPSR - регистр состояния выполнения. Полностью структура регистра xPSR приведена на рисунке ниже.

Структура регистра xPSR

Флаги в регистре APSR стандартные:

N (negative flag) - отрицательный результат операции

Z (zero flag) - нулевой результат операции

C (carry flag) - флаг переноса/займа

V (overflow flag) - флаг переполнения

Q (saturation flag) - флаг насыщения

В регистре PRIORITY MASK используется только нулевой бит (PRIMASK), который будучи установлен в единицу запрещает все прерывания с конфигурируемым приоритетом. После включения бит PRIMASK сброшен в ноль - все прерывания разрешены.

В регистре FAULT MASK также использует только нулевой бит (FAULTMASK), который будучи установлен в единицу запрещает все прерывания и исключения, кроме немаскируемого прерывания (NMI). После включения бит FAULTMASK сброшен в ноль - все прерывания разрешены.

Регистр BASEPRI используется для запрещения всех прерываний, значение приоритета которых больше или равно, чем записано в этом регистре. Тут надо сказать, что чем меньше значение - тем выше уровень приоритета. В регистре BASEPRI используются только младшие 8 бит.

Регистр CONTROL используется для управления одним из режимов процессора - режимом потока. Нулевой бит этого регистра (nPRIV) определяет уровень выполнения (привилегированный - Privilegied, или непривилегированный - Unprivilegied), а первый бит (SPSEL) - используемый указатель стека (MSP или PSP). Разница между привилегированным и непривилегированным уровнями выполнения состоит в том, что для привилегированного уровня доступны все области памяти и все команды процессора, а для непривилегированного уровня некоторые области памяти закрыты (например, регистры специального назначения, кроме APSR, системная область) и, соответственно, команды для доступа в эти обасти - запрещены. Попытка выполнения запрещённых команд, пытающихся обратиться в закрытые области памяти вызывает генерацию исключения отказа.

Теперь о режимах работы процессора.

Процессор Cortex-M3 имеет два режима работы: режим потока (Thread) и режим обработчика (Handle). Режим Handle используется для обработки исключительных ситуаций, а режим Thread - для выполнения всего остального кода. Переключение из одного режима в другой происходит автоматически. Как мы уже говорили, когда разбирались с регистром CONTROL, в режиме Thread процессор может использовать как привилегированный уровень выполнения, так и непривилегированный, в режиме Handle - только привилегированный. Аналогично, в режиме Thread может использоваться как основной стек (MSP), так и стек процесса (PSP), а в режиме Handle - только основной стек.

Важно понимать, что, например, переключившись в режиме Thread с привилегированного уровня в непривилегированный, мы потеряем доступ в регистр CONTROL и обратно сможем переключиться только в режиме Handle. В режиме Handle бит nPRIV регистра CONTROL доступен для чтения/записи, но не влияет на текущий режим выполнения. Это позволяет изменить уровень выполнения, который будет у программы, когда процессор выйдет из режима обработчика в режим потока. Бит SPSEL в режиме Handle для записи недоступен и всегда читается как ноль, а при выходе из режима обработчика в режим потока восстанавливается автоматически. Все варианты переходов между различными режимами и уровнями выполнения иллюстрирует ориентированный граф, представленный на рисунке ниже:

Граф переходов для режимов процессора STM32

Далее поговорим о том, как контроллер стартует.

Стартует контроллер всегда на внутреннем генераторе, на частоте 8 Мгц. Откуда брать тактовый сигнал в дальнейшем, на сколько его умножать или делить - настраивается в программе. Если в программе этого не сделать, то хоть десять внешних кварцев повесьте, контроллер так и будет работать от внутреннего генератора 8 МГц.

Область загрузки STM32 в зависимости от сочетания уровней на ногах BOOT0, BOOT1

При старте контроллер анализирует сочетание уовней на двух своих ногах - BOOT0, BOOT1, и, в зависимости от этого сочетания, начинает загрузку либо из flash-памяти, либо из ОЗУ, либо из системной области памяти. Это делается с помощью уже описанного нами ранее механизма псевдонимизации. По идее загрузка всегда начинается с нулевого адреса, просто в зависимости от сочетания на ногах BOOT0, BOOT1 начальные адреса памяти назначаются псевдонимами одной из трёх областей: flash, встроенного ОЗУ или системной области. Справа приведена табличка, в которой указано, какая именно область проецируется в начальные адреса памяти в зависимости от сочетания ног BOOT0, BOOT1.

При этом в системной области производителем зашита специальная программа (bootloader), которая позволяет запрограммировать flash-память. Но об этом позже.

Первым делом контроллер считывает 32-х битное слово по адресу 0x00000000 и помещает его в регистр R13 (указатель стека). Далее он считывает 32-х битное слово по адресу 0x00000004 и помещает его в регистр R15 (счётчик команд). Последнее действие вызывает переход на начало программного кода и дальше начинается выполнение программы.

Слово по адресу 0x00000004 (адрес начала основной программы) называется вектор сброса. Вообще в памяти контроллера после указателя стека по адресу 0x00000000, начиная с адреса 0x00000004 должна лежать таблица векторов исключений и прерываний, первый вектор в которой - это вектор сброса, а остальные вектора - адреса процедур обработчиков различных исключений и прерываний. В простейших программах, если вы не собираетесь обрабатывать исключения и прерывания, все остальные вектора, кроме вектора сброса, могут отсутствовать. Хотелось бы обратить внимание, что в таблице векторов указываются именно адреса начала обработчиков, а не команды перехода на эти обработчики, как, например, в 8-ми битных пиках или атмелах.

Надеюсь понятно, что если ногами BOOT0, BOOT1 начальная область памяти установлена псевдонимом, например, flash-памяти, то считывание по адресу 0x00000000 реально приведёт к считыванию адреса 0x08000000 (начало flash-памяти), а считывание адреса 0x00000004 - к считыванию адреса 0x08000004 и так далее.

Ну и в завершение скажу, что стартует контроллер всегда в режиме потока с привилегированным уровнем выполнения.

Часть 1. Установка MDK, создание проекта, основы Keil uVision.

Часть 2. Команды и директивы ассемблера, структура и синтаксис программы. Первая программа для STM32.

Часть 3. Карта памяти контроллеров STM32, методы работы с памятью.

Часть 4. Регистры, старт и режимы работы контроллеров STM32.

Часть 5. Как залить прошивку в контроллер.

Часть 6. Настройка системы тактирования.

Часть 7. Работа с портами ввода-вывода.

radiohlam.ruтеорияконтроллеры и программирование

Понравилась статья? Поделись с друзьями!

Обсудить эту статью на форуме

 
Rambler's Top100 © 2009 - Материалы сайта охраняются законом об авторском праве