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参考：
《Arm®v7-M Architecture Reference Manual》

ARMv7-M 系列其他文章：

深入理解 ARMv7-M | 异常/中断处理

1、Arm core registers

ARMv7-M 共有十三个通用的 32 位寄存器，即 R0 至 R12，此外还有三个具有特殊名称和使用模式的 32 位寄存器。

• SP：堆栈指针，用作指向当前活动堆栈的指针。复位时，此值被预设为主堆栈（Main statck）的顶部。
• LR：用于保存返回地址。当通过带链接分支指令（Branch with Link）调用子程序时，LR 中会保存返回地址，即调用点之后那条指令的地址。复位时，该寄存器的值为 0xFFFFFFFF。如果在子程序返回时直接使用这个复位值，会导致故障状态。此外，在进入异常时 LR 也会被更新，详见第 B1-531 页“异常进入行为”。LR 也可称为 R14。
• PC：程序计数器。有关 PC 的使用模型的详细说明。在复位时，PC 会被加载为复位处理程序的起始地址。PC 有时也被称为R15。

1.2 APSR

• N – 表示 ALU（算术逻辑单元）运算结果为负（Negative）。
• Z – 表示 ALU 运算结果为零（Zero）。
• C – 表示 ALU 运算产生了进位或借位（Carry out）。
• V – 表示 ALU 运算发生了溢出（oVerflow）。
• Q – 表示累积饱和标志（cumulative saturation），也被称为“粘性”标志（sticky）。
• GE[3:0] – 供部分 SIMD（单指令多数据）指令使用。

1.3 Execution state

Armv7-M 仅执行 Thumb 指令，因此始终以 Thumb 状态执行指令。

除正常程序执行外，处理器还可工作于调试（Debug）状态。关于 Debug 这一点我们以后再详解。

2、ARMv7-M 处理器模式

ARMv7-M 使用处理器模式（Processor mode）、软件执行的特权级（privilege levels）和栈指针（Stacks Pointer）描述程序运行时的基本状态。模式规定当前的执行上下文，特权级规定软件的访问权限，栈指针确定当前使用的栈。这些状态共同构成普通程序与异常处理程序之间的执行接口。

2.1 处理器模式

ARMv7-M 支持两种处理器模式：

Thread mode 可以承载裸机程序的主循环，也可以承载操作系统调度的任务。架构中的 Thread mode 表示一种处理器执行模式；操作系统是否提供多线程，由软件设计决定。

复位完成后，处理器在 Thread mode 中执行。处理器响应中断、故障或监督调用等异常并进入相应处理程序时，进入 Handler mode。若一个异常处理程序被另一个异常抢占，处理器继续处于 Handler mode，执行新异常的处理程序。

异常返回必须在 Handler mode 中执行。返回目标可以是 Thread mode 中的程序，也可以是被抢占的 Handler mode 中的处理程序。模式转换由异常进入和异常返回机制管理，普通函数调用保持调用者所在的模式。

当前处理器模式可以通过中断程序状态寄存器IPSR中的异常编号判断：Thread mode 下该编号为 0；Handler mode 下记录当前正在处理的异常编号。

2.2 软件执行的特权级

ARMv7-M 支持特权执行（Privileged execution）和非特权执行（Unprivileged execution）。这种权限划分允许系统将关键控制功能交由特权软件管理，并限制应用程序对这些功能的直接访问。

特权软件可以使用架构提供的系统控制功能；非特权软件对部分指令、寄存器和存储区域的访问受到限制。代表性的权限差异包括：

内存保护单元 MPU 可以为存储区域设置特权与非特权访问权限。例如，系统可以允许特权软件修改某个区域，同时仅允许非特权软件读取该区域。特权级与存储区域的保护属性共同决定一次访问是否被允许。

这类权限划分为操作系统内核、系统服务与应用程序之间的保护提供基础。具体权限限制见各指令、寄存器和内存保护机制的定义。Cortex-M7 通用用户指南 2.1.1

2.3 模式与特权级的关系

处理器模式描述程序的执行上下文，特权级描述软件的访问权限。ARMv7-M 对两者的组合规定如下：

Handler mode 始终以特权执行；Thread mode 可以采用任一特权级。复位后的初始执行状态为特权Thread mode。

Thread mode 的特权级由CONTROL.nPRIV控制：

软件可以通过MRS指令读取CONTROL，通过MSR指令写入CONTROL。只有特权软件的写入能够改变其控制状态，非特权软件对CONTROL的写入被忽略。

特权 Thread mode 软件可以将nPRIV设置为 1，转入非特权执行。恢复特权执行需要特权软件介入。非特权应用通常通过 SVC 指令请求系统服务；处理器响应 SVCall 后，服务程序在特权 Handler mode 中执行。

Handler mode 中的特权软件可以修改CONTROL.nPRIV，确定随后返回 Thread mode 时使用的特权级。完成服务并异常返回后，线程按该位所规定的权限继续执行。

2.4 栈的选择

ARMv7-M 实现两个栈指针：

• MSP（Main Stack Pointer，主栈指针）。
• PSP（Process Stack Pointer，进程栈指针）。

寄存器 R13，也称 SP，使用当前选中的栈指针。Thread mode 的选择由CONTROL.SPSEL控制，Handler mode 始终使用 MSP。

Handler mode 中，对CONTROL.SPSEL的显式写入被忽略，仅 Thread mode Privileged 可修改；异常返回时，硬件根据返回信息更新栈选择。

复位后，Thread mode 默认使用 MSP，其初始值由向量表的第 0 项提供。软件选择使用 PSP 前，应先为其设置有效的栈地址。操作系统通常让任务使用 PSP，让异常处理程序使用 MSP，以分别组织任务栈与异常处理程序栈。

通过MSR修改CONTROL后，软件必须执行ISB指令，确保更新在后续指令执行前生效。异常进入时的上下文保存、栈帧布局和异常返回时的栈恢复，将在 B1.5.6—B1.5.8 中介绍。