使用汇编实现 pc 和 sp 的保存及恢复操作

前言

在 ARM Cortex 系列的芯片中本来就有一套保护现场的机制,例如当产生了一个中断时,会自动将当前寄存器的值入栈,并在 lr(r14) 寄存器中保存将要返回的 pc 值,在中断服务程序执行完成后将 pc 恢复到之前的位置。如果在执行中断服务程序的时候又发生了优先级更高的中断,也就是说发生了中断嵌套,这是将再次进行现场保护,同时 lr 值会被压栈(上一次的 pc ),新的 lr 生成。

但是在一些场景下,这样的机制就不太好用了,比如说要进入 sleep 模式 cpu 掉电了,想要恢复到掉电前的状态。这样的话就需要我们自己实现保护现场了,下面就来简单介绍一下我的实现。

硬件及 IDE 环境

  • 硬件: Cortex-M3 FPGA 开发板
  • IDE: IAR 8.22.1

在进行 FPGA 验证之前,还跑了 RTL 的仿真,从仿真波形的结果来看也是正确的。

c 文件

现场保护主要就是保存当前的运行状态,在从 sleep 模式唤醒后将保存的状态恢复,使 cpu 回到到 sleep 之前的状态。在我们这里最主要的是保存 pc 和 sp 的值,cpu 唤醒之后恢复 pc 和 sp 就好,所以我们需要将进入 sleep 之前的 pc 和 sp 保存即可。

在进入 sleep 模式中,虽然 cpu 掉电了,但是 SRAM 还是维持着的,所以我们可以使用一个全局变量(存储在 SRAM 中)来保存 pc 和 sp 的值。

“xxx.c” 文件中部分代码:

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// 函数及变量的声明和引用
extern void Save_PC_SP(void)
extern void Restore_PC_SP(void)
extern u32 pc_save;
extern u32 sp_save;

//······
// 在执行 sleep 指令(WFI/WFE)之前保存 pc、sp
Save_PC_SP(); // 保存 pc 和 sp
__WFI(); // 睡眠
__NOP();
__NOP();
__NOP();

//······

s 汇编文件

“xxx.s”文件中的部分代码:

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;函数及变量的声明和引用
PUBLIC Save_PC_SP
PUBLIC Restore_PC_SP

IMPORT pc_save
IMPORT sp_save

;唤醒后判断的代码
THUMB

PUBWEAK Reset_Handler
SECTION .text:CODE:REORDER:NOROOT(2)
Reset_Handler
LDR R0, =0x4001f000
LDR R1, [R0]
CMP R1, #1
BEQ __iar_program_start
B Restore_PC_SP


;Save pc sp 的代码

SECTION .text:CODE:NOROOT
Save_PC_SP
LDR R0, =0x4001f000
MOV R1, #1
STR R1, [R0]
LDR R0, =sp_save
LDR R2, =pc_save
MOV R1, R13
STR R1, [R0]
MOV R1, LR
STR R1, [R2]
BX LR


;Restore pc sp 的代码

SECTION .text:CODE:NOROOT
Restore_PC_SP
LDR R0, =sp_save
LDR R1, [R0]
MOV R13, R1
LDR R0, =pc_save
LDR R1, [R0]
ADD R1, R1, #0x8
MOV PC, R1
NOP
NOP
NOP

在汇编文件中主要实现的是 save 和 restore 的操作,以及恢复过程的判断。因为我们的设计是从睡眠唤醒是从 Reset 起来的,这就导致第一次 cpu 的正常启动会和 restore 发生冲突,所以我这里选择了一个不会掉电的寄存器来作为是否进行 restore 的判断。

还有就是加 NOP 指令是因为 Cortex-M3 是三级流水线,为了防止 cpu 因为 pc 的预取而发生错误。

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