RTOS的發展之Armv7-M

　　ARMv7-M于2006(文件版本=A)問世，最近一次改版是2021(文件版本=E.e)，市場上能搜尋到的產品琳瑯滿目，屬于非常成熟的商品。本文多次引用的Cortex-M4，即屬Armv7E-M的架構。

　　以一個問世十多年、且廣受歡迎的平臺來說，其設計應有獨到之處，本節將列出幾項值得關注的特性。

從架構談起

　　Cortex-M平臺在最初設計時，已將Coprocessor納入考慮，且最多可支持16個協同處理器。M4內置的FPU，就是使用第10,11兩個位置，透過它，M4可以快速的處理單精度的浮點數，對比傳統的軟件方式，效能上有10倍以上的提升。

　　除了FPU外，Armv7E-M架構還內含了DSP指令集，在SIMD,Saturate,Q-Format等指令的助攻下，使得32 bit Cortex-M4在運算能力上，來到了一個新的高度，已經遠遠的、超過了早期8 bit MCU的水準。

　　除此之外，ARM在除錯的支持上非常齊全，但不在本次的討論范圍。

運作模式的探討

　　Cortex-M的內核，支持兩種運作模式，分別是Thread mode，以及Handler mode，后者是發生中斷時，CPU所切換的模式。

　　Thread mode提供兩個特權等級，分別是Privileged及Unprivileged，一般的作法，會讓OS有特權，應用程序則無，此外，透過CONTROL寄存器，還可選擇使用不同的堆棧指針(MSP or PSP)。

　　看似平常的模式，其實有下列幾個亮點：(1)Handler mode的離開方式，跟一般函式相同。(2)CPU進出Handler時，硬件會自動PUSH/POP多個緩存器。(3)內建的異步PendSV例外功能。(4)異步例外支持Active and Pending state。

中斷及例外處理的優先權

　　全系列的Cortex-M都內建了NVIC，NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）緊密的整合于核心旁，可支持高達496個中斷、并提供256階優先權。

　　NVIC所提供的巢狀中斷服務，由硬件執行ISR的Preemption工作，還加碼Late arrival及Tail chaining機制。

電源管理指令

　　Cortex-M將電源管理直接指令化，WFI（Wait For Interrupt）及WFE（Wait For Event），可使CPU快速的進入睡眠、省電狀態（Low Power State）。

　　搭配SCR（System Control Register）的多個旗標：SEVONPEND,SLEEPONEXIT,SLEEPDEEP等，還可執行進階的設定。

無鎖的同步指令

　　為了解決關鍵區段的保護問題，并避免關閉中斷造成的損失，Armv7-M的LDREX/STREX，以指令的方式，達成non-blocking的內存同步請求。由硬件協助確保read-modify-write的正確性。

A fit real time kernel for Cortex-M

　　談了許多RTOS的缺點，又列出了Armv7-M的特色后，我們是否應跳出舊的思維，并以創意及創新的觀點，提出新的RTOS軟件作法呢？

作者：科技下午茶啃泥https://www.bilibili.com/read/cv15839248?spm_id_from=333.999.0.0