動作モード

動作モードには、通常のプログラムを実行しているスレッドモードと、例外を実行しているハンドラモードという2つのモードがある。アクセス権のモードには、特権モードとユーザモードがある。これらの組み合わせの中で、ユーザモードのハンドラは存在しないので、以下の3種類のモードが存在する。

ユーザモードのアクセス権では、SCS(System Control Space)と呼ばれるメモリ空間へのアクセスが制限される。 NVICやMPUモード、デバッグ等の設定レジスタがこの空間に属している。

MPU起動時は特権スレッドモードで起動する。ユーザスレッドへの移行はCONTROL[1:0]の0番ビットのセットで行う。一旦ユーザスレッドに移行してしまうと、自分から特権スレッドにはなれない。戻る方法は、特権ハンドラ上でCONTROLの0番ビットをクリアすることに限られる。

スレッドのモードが特権・ユーザのどちらであれ、割り込みが入ると特権ハンドラモードになる。そして、特権ハンドラから抜けると、CONTROLレジスタをいじらない限りは自動的に元に戻る。

[3.3動作モード参照]

スタック

Cortex-M3コアは2つのスタックポインタを持っている。Main Stack Pointer(MSP)とProcess Stack Pointer(PSP)のどちらかが使われる。

MSPはスレッドモード、ハンドラモードどちらでも使用できる。PSPはスレッドモードで使用できる。どちらを使うかの設定は、CONTROL[1:0]レジスタの1番ビットで行う。

割り込みハンドラではMSPを使用し、その他のスレッドモードではPSPを使用するよう設定できる。アプリケーションが自分のスタックを破壊しても、OSのスタックに影響を与えないなどの保護が実現できるらしい。

スタックポインタの設定はCONTROL[1]で行えると書いたが、MSPしか使わない場合は常にMSPが使われる。 PSPを使う場合は、ハンドラモードに切り替わると、自動的にMSPに切り替わる。 [3.6.3 Cortex-M3の二つのスタック・モデル参照]

割り込みが起こると、自動的にいくつかのレジスタがスタックへ退避される。この際に使用されるスタックは、スレッドモードで使用していたスタック(MSPまたはPSP)となる。退避し終わると、ハンドラモードのスタック(MSP)になる。 [9.1.1 スタッキング参照]

OS上でプログラムを走らせると、ユーザプログラムが勝手にハードウェアへアクセスするのはよろしくないらしい。ハードウェアへのアクセスはいわゆる特権が必要だから、OSにやってもらわなくてはならない。これをお願いするための仕組みとして、システムコールがある。

Cortex-M3では、システムコールを実現するのに利用できるソフトウェア割り込みSVC(System Service Call)が提供されている。

SVC命令でSVCを発生させることができる。この命令は1つの8ビットイミディエイト(即値: 0x1などの値そのもの)を必要とする。この値が機能を指定するのに使われる。

システムコールを呼び出すとき、引数をスタックに入れて渡したいときがある。ここで、スタックにPSPを使用していると、SVCのハンドラに切り替わった時スタックもMSPに切り替わってしまう。引数が入っている場所を割り出すための処理については、8章で取り扱われている。

[7.6 SVCとPendSV参照]

時間がかかるシステムコールが、すでに実行されていた割り込みハンドラを妨げることは好ましくない。後で実行するためにPendSV(Pended System Call)というソフトウェア割り込みも提供されている。

例としてあげられていた、問題が起こるパターンは以下のようなものだった。

こういった問題を避けるために、PendSVがあるらしい。 PendSVはSVCハンドラから発生させることのできる(保留させると書かれている)ソフトウェア割り込みらしい。 PendSVを最低優先度にセットすると良いらしいのだが? これは使い方次第らしい。詳しく調べる。

[7.6 SVCとPendSV参照]