📚 课程目录第1章 ARMv7架构与Cortex-M系列处理器概述

1. ARMv7 架构与 Cortex-M 系列处理器概述

做 RTOS 移植和任务调度，第一关就是吃透处理器架构。ARMv7 是个大家族，咱们课程主要关注 Cortex-M 系列——这是跑 RTOS 的主力。我个人习惯先把寄存器模型、特权模式和异常处理这三块啃透，后面写调度器心里才有底。

Cortex-M3/M4 有 16 个 32 位通用寄存器（R0-R15），外加几个特殊寄存器。我刚开始学的时候总觉得寄存器太多记不住，后来发现只要分三组理解就简单了：

R0-R12：通用寄存器，随便用。但注意 R4-R11 在函数调用里必须保存，这是 AAPCS 规定的。
R13 (SP)：栈指针。Cortex-M 有两个栈——主栈（MSP）和进程栈（PSP）。RTOS 里任务跑在 PSP，异常处理用 MSP，这个切换是调度的关键。
R14 (LR)：链接寄存器。异常返回时 LR 会被赋一个特殊值（EXC_RETURN），指示返回模式和栈选择。
R15 (PC)：程序计数器。指向当前指令地址。

核心寄存器速查表

特殊寄存器里，xPSR（程序状态寄存器）存了条件标志、中断状态和处理器模式。我踩过一个坑：在 PendSV 里修改了 xPSR 的 T 位（Thumb 状态位），结果任务一恢复就 HardFault。嗯，ARMv7-M 强制 Thumb-2 指令集，T 位必须为 1，千万别手贱去改它。

Cortex-M 只有两种模式：Handler 模式和Thread 模式。Handler 模式永远有特权，Thread 模式可以选特权或非特权。说白了，异常/中断处理跑在 Handler 模式，普通任务代码跑在 Thread 模式。

为什么 RTOS 要用非特权 Thread 模式？我做过一个产品，客户要求任务不能互相搞破坏。把任务放在非特权级，访问系统控制寄存器、操作 MPU 这些敏感操作必须通过 SVC 异常来“系统调用”，安全多了。

我的习惯：任务栈初始化时，把 CONTROL 寄存器的 nPRIV 位置 1，让任务跑在非特权级。内核代码（调度器、IPC）跑在特权级。这样任务再野也翻不了天。

Cortex-M 的异常系统是硬件自动压栈的，这点比 ARM7TDMI 时代舒服太多。异常发生时，硬件自动把 R0-R3、R12、LR、PC、xPSR 压入当前栈，然后从向量表取出入口地址跳转。

向量表放在起始地址（默认 0x00000000），第一个字是 MSP 初始值，第二个字是 Reset_Handler 地址。后面依次是各种异常和中断。RTOS 里最常用的几个：

我曾经踩过的坑：在 STM32F4 上做移植时，忘了把向量表重定位到 SRAM。程序在 Flash 里跑得好好的，一开中断就 HardFault。查了两天才发现——中断向量表还在 0x00000000，而我把代码搬到了 0x08000000。用 SCB->VTOR 重定位一下就好了。

Cortex-M3/M4 支持最多 256 级中断优先级（实际芯片通常只实现 16 或 32 级）。优先级数值越小，优先级越高。RTOS 里通常把 PendSV 设为最低优先级，SysTick 设为中等优先级。为什么？

你想想看：SysTick 触发时如果正在处理一个高优先级中断，PendSV 因为优先级最低会被阻塞。等所有中断处理完了，PendSV 才执行上下文切换。这样中断响应延迟最小，不会因为调度而耽误紧急事件。

典型 RTOS 优先级分配

下面这张图把本章的核心知识点串起来了。我建议你把它存下来，后面写调度器代码时对照着看。

这张图把寄存器、模式、异常三大块串起来了。你注意看底部那个优先级设计原则——这是 RTOS 调度器能正确工作的基石。PendSV 优先级最低，意味着它永远在“空闲”时才执行切换；SysTick 中等优先级，保证时间片轮转不会被完全阻塞。

避坑指南：我曾经在一个项目里把 PendSV 优先级设得比某个外设中断还高，结果那个中断处理函数里调用了 RTOS 的延时函数，直接死锁。记住：PendSV 必须是最低优先级，任何中断里调用 RTOS API 都要小心。

好了，这一章的内容就是这些。寄存器模型是你写上下文切换的“工具箱”，特权模式决定了任务的安全边界，异常处理是调度器的“发动机”。这三样吃透了，后面写调度器代码就是水到渠成的事。