Cortex-M3

作者：博維科技 時間：2021-01-06 14:56

首先，在學(xué)習(xí)Cortex-M3時，我們必須要知道必要的縮略語。整理如下：AMBA:先進單片機總線架構(gòu)   ADK:AMBA設(shè)計套件

AHB：先進高性能總線    AHB-AP：AHB訪問端口

APB：先進外設(shè)總線    ARM ARM：ARM架構(gòu)參考手冊

ASIC：行業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ眉呻娐?nbsp;   ATB ：先進跟蹤總線

BE8：字節(jié)不變式大端模式    CPI：每條指令的周期數(shù)

DAP：調(diào)試訪問端口    DSP：數(shù)字信號處理（器）

DWT：數(shù)據(jù)觀察點及跟蹤    ETM：嵌入式跟蹤宏單元

FPB：閃存地址重載及斷點  FSR：fault狀態(tài)寄存器

HTM：Core Sight AHB跟蹤宏單元

ICE：在線仿真器    IDE：集成開發(fā)環(huán)境

IRQ：中斷請求（通常是外中斷請求）

ISA：指令系統(tǒng)架構(gòu)   ISR：中斷服務(wù)例程

ITM：儀器化跟蹤宏單元       

 JTAG：連接點測試行動組（一個關(guān)于測試和調(diào)試接口的標(biāo)準(zhǔn)）

LR：連接寄存器

LSB：最低有效位

MSB：最高有效位

LSU：加載存儲單元

MCU：微控制器單元

MPU：存儲器保護單元

MMU：存儲器管理單元

MSP：主堆棧指針

NMI：不可屏蔽中斷

NVIC：嵌套向量中斷控制器

PC：程序計數(shù)器

PPB：私有外設(shè)總線

同時，還要如下規(guī)定：

?  數(shù)值: 
1. 4''hC , 0x123  都表示16進制數(shù) 
2. #3表示數(shù)字3 (e.g., IRQ #3  就是指3號中斷) 
3. #immed_12表示一個12位的立即數(shù) 
4.  寄存器位。通常是表示一個位段的數(shù)值，例如 
bit[15:12]  表示位序號從15往下數(shù)到12，這一段的數(shù)值。 
 
?  寄存器訪問類型 
1.  R  表示只讀 
2.  W表示只寫 
3.  RW  表示可讀可寫（前3條好像地球人都知道） 
4.  R/Wc  表示可讀，但是寫訪問將使之清 0

二、Cortex-M3芯片簡介

1、關(guān)于ARMv7的知識--了解

在這個版本中，內(nèi)核架構(gòu)首次從單一款式變成3種款式：

?  款式A：設(shè)計用于高性能的“開放應(yīng)用平臺”——越來越接近電腦了 
?  款式R：用于高端的嵌入式系統(tǒng)，尤其是那些帶有實時要求的——又要快又要實時。 
?  款式M：用于深度嵌入的，單片機風(fēng)格的系統(tǒng)中

介紹A:用于高性能的“開放應(yīng)用平臺”，應(yīng)用在那些需要運行復(fù)雜應(yīng)用程序的處理器。支持大型嵌入式操作系統(tǒng)

R:用于高端的嵌入式系統(tǒng)，要求實時性的

M:用于深度嵌入的、單片機風(fēng)格的系統(tǒng)中

2、Cortex-M3處理器的舞臺

高性能+高代碼密度+小硅片面積，使得CM3大面積地成為理想的處理平臺，主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：

（1）低成本單片機（2）汽車電子（3）數(shù)據(jù)通信（4）工業(yè)控制

（5）消費類電子產(chǎn)品

3、Cortex-M3概覽

（1）簡介

       Cortex-M3是一個 32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是 32位的，寄存器是 32位的，存儲器接口也是 32 位的。CM3 采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖。這樣一來數(shù)據(jù)訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。為實現(xiàn)這個特性， CM3內(nèi)部含有好幾條總線接口，每條都為自己的應(yīng)用場合優(yōu)化過，并且它們可以并行工作。但是另一方面，指令總線和數(shù)據(jù)總線共享同一個存儲器空間（一個統(tǒng)一的存儲器系統(tǒng)）。

       比較復(fù)雜的應(yīng)用可能需要更多的存儲系統(tǒng)功能，為此CM3提供一個可選的MPU，而且在需要的情況下也可以使用外部的 cache。另外在CM3中，Both小端模式和大端模式都是支持的。

（2）Cortex-M3的簡化圖

（3）寄存器組

       處理器擁有R0-R15的寄存器組，其中R13最為堆棧指針SP,SP有兩個，但是同一時刻只能有一個可以看到，這就是所謂的“banked”寄存器。

       a、R0-R12都是 32位通用寄存器，用于數(shù)據(jù)操作。但是注意：絕大多數(shù) 16位Thumb指令只能訪問R0-R7，而 32位 Thumb-2指令可以訪問所有寄存器。

         b、Cortex-M3擁有兩個堆棧指針，然而它們是 banked，因此任一時刻只能使用其中的一個。 
?  主堆棧指針（MSP）：復(fù)位后缺省使用的堆棧指針，用于操作系統(tǒng)內(nèi)核以及異常處理例程（包括中斷服務(wù)例程） 
?  進程堆棧指針（PSP）：由用戶的應(yīng)用程序代碼使用。

---堆棧指針的最低兩位永遠是0，這意味著堆棧總是4字節(jié)對齊的。---

        c、R14：連接寄存器--當(dāng)呼叫一個子程序時，由R14存儲返回地址

          d、R15：程序計數(shù)寄存器--指向當(dāng)前的程序地址，如果修改它的值，就能改變程序的執(zhí)行流（這里有很多高級技巧）

          e、Cortex-M3還在內(nèi)核水平上搭載了若干特殊功能寄存器，包括

 程序狀態(tài)字寄存器組（PSRs）

中斷屏蔽寄存器組（PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI） 
控制寄存器（CONTROL）

Cortex-M3處理器支持兩種處理器的操作模式，還支持兩級特權(quán)操作。 
       兩種操作模式分別為：處理者模式和線程模式（thread mode）。引入兩個模式的本意，是用于區(qū)別普通應(yīng)用程序的代碼和異常服務(wù)例程的代碼——包括中斷服務(wù)例程的代碼。 
        Cortex-M3 的另一個側(cè)面則是特權(quán)的分級——特權(quán)級和用戶級。這可以提供一種存儲器訪問的保護機制，使得普通的用戶程序代碼不能意外地，甚至是惡意地執(zhí)行涉及到要害的操作。處理器支持兩種特權(quán)級，這也是一個基本的安全模型。

 
       在 CM3 運行主應(yīng)用程序時（線程模式），既可以使用特權(quán)級，也可以使用用戶級；但是異常服務(wù)例程必須在特權(quán)級下執(zhí)行。復(fù)位后，處理器默認進入線程模式，特權(quán)極訪問。在特權(quán)級下，程序可以訪問所有范圍的存儲器（如果有 MPU，還要 在MPU規(guī)定的禁地之外），并且可以執(zhí)行所有指令。 
       在特權(quán)級下的程序可以為所欲為，但也可能會把自己給玩進去——切換到用戶級。一旦進入用戶級，再想回來就得走“法律程序”了——用戶級的程序不能簡簡單單地試圖改寫 CONTROL寄存器就回到特權(quán)級，它必須先“申訴”：執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用指令(SVC)。這會觸發(fā)SVC異常，然后由異常服務(wù)例程（通常是操作系統(tǒng)的一部分）接管，如果批準(zhǔn)了進入，則異常服務(wù)例程修改 CONTROL寄存器，才能在用戶級的線程模式下重新進入特權(quán)級。 
        事實上，從用戶級到特權(quán)級的唯一途徑就是異常：如果在程序執(zhí)行過程中觸發(fā)了一個異常，處理器總是先切換入特權(quán)級，并且在異常服務(wù)例程執(zhí)行完畢退出時，返回先前的狀態(tài)

       通過引入特權(quán)級和用戶級，就能夠在硬件水平上限制某些不受信任的或者還沒有調(diào)試好的程序，不讓它們隨便地配置涉及要害的寄存器，因而系統(tǒng)的可靠性得到了提高。進一步地，如果配了 MPU，它還可以作為特權(quán)機制的補充——保護關(guān)鍵的存儲區(qū)域不被破壞，這些區(qū)域通常是操作系統(tǒng)的區(qū)域。 

(4)內(nèi)建的嵌套向量中斷控制器

  Cortex-M3 在內(nèi)核水平上搭載了一顆中斷控制器——嵌套向量中斷控制器 NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。它與內(nèi)核有很深的“親密接觸”——與內(nèi)核是緊耦合的。
NVIC提供如下的功能： 
?  可嵌套中斷支持 
?  向量中斷支持 
?  動態(tài)優(yōu)先級調(diào)整支持 
?  中斷延遲大大縮短 
?  中斷可屏蔽

       可嵌套中斷支持：  可嵌套中斷支持的作用范圍很廣，覆蓋了所有的外部中斷和絕大多數(shù)系統(tǒng)異常。外在表現(xiàn)是，這些異常都可以被賦予不同的優(yōu)先級。當(dāng)前優(yōu)先級被存儲在 xPSR 的專用字段中。當(dāng)一個異常發(fā)生時，硬件會自動比較該異常的優(yōu)先級是否比當(dāng)前的異常優(yōu)先級更高。如果發(fā)現(xiàn)來了更高優(yōu)先級的異常，處理器就會中斷當(dāng)前的中斷服務(wù)例程（或者是普通程序），而服務(wù)新來的異常——即立即搶占。

         向量中斷支持：  當(dāng)開始響應(yīng)一個中斷后，CM3會自動定位一張向量表，并且根據(jù)中斷號從表中找出 ISR的入口地址，然后跳轉(zhuǎn)過去執(zhí)行。不需要像以前的 ARM那樣，由軟件來分辨到底是哪個中斷發(fā)生了，也無需半導(dǎo)體廠商提供私有的中斷控制器來完成這種工作。這么一來，中斷延遲時間大為縮短。

（5）存儲器映射

Cortex-M3支持4G存儲空間，具體分配如下圖：

（6）總線接口

Cortex-M3內(nèi)部有若干個總線接口，以使 CM3能同時取址和訪內(nèi)（訪問內(nèi)存），它們是： 
?  指令存儲區(qū)總線（兩條） 
?  系統(tǒng)總線 
?  私有外設(shè)總線 
      有兩條代碼存儲區(qū)總線負責(zé)對代碼存儲區(qū)的訪問，分別是 I-Code 總線和 D-Code 總線。前者用于取指，后者用于查表等操作，它們按最佳執(zhí)行速度進行優(yōu)化。 
       系統(tǒng)總線用于訪問內(nèi)存和外設(shè)，覆蓋的區(qū)域包括 SRAM，片上外設(shè)，片外 RAM，片外擴展設(shè)備，以及系統(tǒng)級存儲區(qū)的部分空間。 
      私有外設(shè)總線負責(zé)一部分私有外設(shè)的訪問，主要就是訪問調(diào)試組件。它們也在系統(tǒng)級存儲區(qū)。 

（7）存儲器保護單元（MPU）

        Cortex-M3有一個可選的存儲器保護單元。配上它之后，就可以對特權(quán)級訪問和用戶級訪問分別施加不同的訪問限制。當(dāng)檢測到犯規(guī)（violated）時，MPU 就會產(chǎn)生一個 fault 異常，可以由fault異常的服務(wù)例程來分析該錯誤，并且在可能時改正它。 
       MPU 有很多玩法。最常見的就是由操作系統(tǒng)使用 MPU，以使特權(quán)級代碼的數(shù)據(jù)，包括操作系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)不被其它用戶程序弄壞。MPU在保護內(nèi)存時是按區(qū)管理的。它可以把某些內(nèi)存 region設(shè)置成只讀，從而避免了那里的內(nèi)容意外被更改；還可以在多任務(wù)系統(tǒng)中把不同任務(wù)之間的數(shù)據(jù)區(qū)隔離。一句話，它會使嵌入式系統(tǒng)變得更加健壯，更加可靠（很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是航空的，就規(guī)定了必須使用 MPU來行使保護職能——譯
注） 。

（8）Cortex-M3的簡評

1、高性能

?  許多指令都是單周期的——包括乘法相關(guān)指令。并且從整體性能上，Cortex-M3比得過絕大多數(shù)其它的架構(gòu)。 
?  指令總線和數(shù)據(jù)總線被分開，取值和訪內(nèi)可以并行不悖 
?  Thumb-2的到來告別了狀態(tài)切換的舊世代，再也不需要花時間來切換于 32位 ARM狀態(tài)和16位Thumb狀態(tài)之間了。這簡化了軟件開發(fā)和代碼維護，使產(chǎn)品面市更快。 
?  Thumb-2指令集為編程帶來了更多的靈活性。許多數(shù)據(jù)操作現(xiàn)在能用更短的代碼搞定，這意味著 Cortex-M3的代碼密度更高，也就對存儲器的需求更少。 
?  取指都按 32位處理。同一周期最多可以取出兩條指令，留下了更多的帶寬給數(shù)據(jù)傳輸。 
?  Cortex-M3的設(shè)計允許單片機高頻運行（現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)能保證 100MHz以上的速度）即使在相同的速度下運行，CM3的每指令周期數(shù)(CPI)也更低，于是同樣的 MHz下可以做更多的工作；另一方面，也使同一個應(yīng)用在 CM3上需要更低的主頻。

2、先進的中斷處理功能

       內(nèi)建的嵌套向量中斷控制器支持240條外部中斷輸入。向量化的中斷功能大大減少了中斷延遲，因為不在需要軟件去判斷中斷源。中斷的嵌套也是在硬件水平上實現(xiàn)的，不需要軟件代碼來實現(xiàn)。

       Cortex-M3在進入異常服務(wù)例程時，自動壓棧了 R0-R3, R12, LR, PSR 和PC，并且在返回時自動彈出它們，這多清爽！既加速了中斷的響應(yīng)，也再不需要匯編語言代碼了

        NVIC支持對每一路中斷設(shè)置不同的優(yōu)先級，使得中斷管理極富彈性。最粗線條的實現(xiàn)也至少要支持 8級優(yōu)先級，而且還能動態(tài)地被修改。 
       優(yōu)化中斷響應(yīng)還有兩招，它們分別是“咬尾中斷機制”和“晚到中斷機制”。 
        有些需要較多周期才能執(zhí)行完的指令，是可以被中斷－繼續(xù)的——就好比它們是一串指令一樣。這些指令包括加載多個寄存器（LDM），存儲多個寄存器（STM），多個寄存器參與的PUSH，以及多個寄存器參與的 POP。 
        除非系統(tǒng)被徹底地鎖定，NMI（不可屏蔽中斷）會在收到請求的第一時間予以響應(yīng)。對很多安全-關(guān)鍵(safety-critical)的應(yīng)用，NMI都是必不可少的（如化學(xué)反應(yīng)即將失控時的緊急停機）。