スタック

2つのスタックポインタ

通常のマイコンにはスタックポインタは一つしかありません。しかしCortex-M3はスタックポインタ（SP）を2つ持っています。汎用レジスタの13番がSPになっています。R13（SP）は、メインスタック（SP_main）とプロセススタック（SP_process）との間で切り替わるバンクレジスタの構成になっています。

ユーザーからは、SP_processまたはSP_mainのいずれか一方のスタックのみが、R13として見ることができます。

ハンドラモードでは常時SP_mainが使用されます。スレッドモードではSP_mainまたはSP_processのどちらでも使用できます。スレッドモードでは、MSR命令を使用してCONTROL[1]に書き込むことにより、メインスタックからプロセススタックに切り替えが可能であり、さらにハンドラモードから退出時にEXC_RETURN値を使用して選択も可能です。

通常、例外（割り込みやフォールト）が起きる前は、スレッドモードで命令を実行しています。この時使うスタックをユーザーが選択できるということです。しかし、一旦、例外（割り込みやフォールト）が起きて、ハンドラモードになるとCortex-M3はSP_mainだけを使うようになります。例えば、割り込みのサービスルーチンを実行中に、さらに割り込みが発生し、割り込みのネスティングが行われる場合は、必ずSP_mainが使われます。

他のマイコンの様に、スタックポインタは、SP_mainの一つだけでもまったく問題はありません。しかし、スレッドモード時はSP_process、ハンドラモードの時はSP_mainを使うようにしておくと、OS等を使った場合に、ユーザープログラムの暴走でOSのスタックの値を壊されることから守ることが出来ます。

SP_mainの初期値はベクタテーブルで指定

通常のマイコンでは、スタックポインタの値は、プログラムコードの中の初期化ルーチンの中に記述され、コードが実行されることで設定されます。しかし、Cortex-M3では、SP_mainの初期値はベクタテーブルの最も若いアドレスに記述するようになっています。

通常のマイコンのベクタテーブルの一番若いアドレスにはリセットスタートアドレスの値が入っていますが、Cortex-M3では、SP_mainの初期値の次がリセットスタートアドレスですので、注意が必要です。これはプログラムコードの中の初期化ルーチンの中で定義しなくてすむので、ユーザーにとっては、便利な方式です。

スタッキング

Cortex-M3では、例外処理が発生すると、ハードウェアにより自動的にMCU状態（コンテキスト）のスタッキングが行われます。この時スタックされるコンテキストは、リンクレジスタ（R14）とプログラムカウンタPC（R15）とプログラムステータスレジスタ（xPSR）と汎用レジスタの一部です。Cortex-M3は汎用レジスタを13本（R0～R12）持っています。その内スタックされるレジスタは、R0～R3とR12です。R4～R11はスタックされませんので注意が必要です。

Armアーキテクチャには、アーキテクチャプロシージャ呼び出し規格（AAPCS: Arm Architecture Procedure Call Standard）があり、この規格に準拠してスタックされます。スタックにPUSHする順は以下になります。この時、SPはビット[1:0] への書き込みを無視するため、4バイト境界のワードに自動的に揃えられます。PUSHされる順とスタックの内容（位置関係）が異なりますので、注意が必要です。

プログラムカウンタ（PC）
プログラムステータスレジスタ（xPSR）
R0～R3
R12
リンクレジスタ（LR）

スタックキングの後

割り込みが受け付けられて、スタッキングとベクタフェッチは同時に行われます。その後、割り込みサービスルーチンが始まります。この時にレジスタが更新されますので、簡単に説明します。

まずスタックポインタR13（ SP_mainかSP_process）はスタッキングの最中に新しいアドレスに更新されますが、割り込みサービスルーチンが始まると、メインスタック（SP_main）が使われるようになります。これは、Cortex-M3がハンドラモードに移ったことを意味します。

PC（R15）は、ベクタのフェッチが終わり、ハンドラによって、ベクタアドレスに変わります。そのベクタアドレスから命令をフェッチします。xPSRの中の割り込みPSRフィールド（ISR番号）は、現在アクティブになっている例外の割り込み処理ルーチン（ISR）番号を示しますので、新しい割り込みサービスルーチンに移ると、新しい例外の番号に変わります。LR（R14）はEXC_RETURNという、例外から復帰するときに使われる特別な値が入ります。

この他、統合ネスト型ベクタ割り込みコントローラ（NVIC）のレジスタも割り込みの種類によって更新されます。（レジスタの詳細は割り込みのところで説明します。）

例外からの退出

例外の処理が終るとハンドラによって、スレッドモードに戻ります。その手順はスタックの逆の手順で行われますが、簡単に説明すると以下のようになります。

まずは、レジスタのポップが行われます。スタックからPC、xPSR、R0、R1、R2、R3、R12、LRをポップします。ポップの順はスタッキングと同じです。SPも復元されます。割り込みがネストしていれば、別の例外へ遷移しますが、その時のSPはメインスタック（SP_main）のままです。スレッドモードへ復帰する場合、SPは割り込みに入る前に選択されていたメインスタック（SP_main）またはプロセススタック（SP_process）です。そして、統合ネスト型ベクタ割り込みコントローラ（NVIC）のレジスタも復元されます。

割り込み処理の状態遷移の詳細は、「第13回：エディアン、メモリフォーマット、データタイプ、例外/割り込み処理」で説明します。