第三講Cortex-M3基礎(chǔ)Cortex-M3基礎(chǔ)Cortex‐M3是一個(gè)32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)是32位的，寄存器是32位的，存儲(chǔ)器接口也是32位的。CM3采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)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。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。內(nèi)容提要寄存器組異常和中斷操作模式和特權(quán)極別存儲(chǔ)器映射總線接口指令集復(fù)位3.1寄存器組

Cortex‐M3處理器擁有R0‐R15的寄存器組。R0-R12：通用寄存器

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)Thumb指令只能訪問R0‐R7。R13:堆棧指針

Cortex‐M3擁有兩個(gè)堆棧指針，任一時(shí)刻只能使用其中的一個(gè)。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。進(jìn)程堆棧指針（PSP）：由用戶的應(yīng)用程序代碼使用。R14：連接寄存器當(dāng)調(diào)用一個(gè)子程序時(shí)，為了減少訪問內(nèi)存的次數(shù)，由R14存儲(chǔ)返回地址，把返回地址直接存儲(chǔ)在寄存器中，這與其他大多數(shù)其它處理器都不一樣。只有1級(jí)子程序調(diào)用的代碼無需訪問內(nèi)存，從而提高了子程序調(diào)用的效率。如果多于1級(jí)，則需要把前一級(jí)的R14

值壓到堆棧里。在ARM編程時(shí)，應(yīng)盡量只使用寄存器保存中間結(jié)果，迫不得以時(shí)才訪問內(nèi)存。R15：程序計(jì)數(shù)寄存器（PC）

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。寄存器特殊功能寄存器

Cortex‐M3還在內(nèi)核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。程序狀態(tài)寄存器（PSRs或xPSR）

程序狀態(tài)寄存器在其內(nèi)部又被分為三個(gè)子狀態(tài)寄存器：應(yīng)用程序PSR（APSR）中斷號(hào)PSR（IPSR）執(zhí)行PSR（EPSR）這3個(gè)寄存器即可以單獨(dú)訪問，也可以組合訪問（2個(gè)組合，3個(gè)組合都可以），當(dāng)使用三合一的方式訪問時(shí)，應(yīng)使用名字“xPSR”或者“PSRs”。PRIMASK：屏蔽所有的中斷——當(dāng)然了，不可屏蔽NMI。FAULTMASK：屏蔽所有的fault——NMI依然不受影響B(tài)ASEPRI：屏蔽所有優(yōu)先級(jí)不高于某個(gè)具體數(shù)值的中斷。中斷屏蔽寄存器組控制寄存器（CONTROL）控制寄存器用于還用于定義特權(quán)級(jí)別和堆棧指針的選擇。特殊功能寄存器操作指令只能被專用的MSR和MRS指令訪問。MRS<gp_reg>,<special_reg>功能：讀特殊功能寄存器的值到通用寄存器。MSR<special_reg>,<gp_reg>

功能：寫通用寄存器的值到特殊功能寄存器。3.2異常與中斷在ARM編程領(lǐng)域中，凡是打斷程序順序執(zhí)行的事件，都被稱為異常(exception)。除了外部中斷外，當(dāng)有指令執(zhí)行了“非法操作”，或者訪問被禁的內(nèi)存區(qū)間，因各種錯(cuò)誤產(chǎn)生的fault，以及不可屏蔽中斷發(fā)生時(shí)，都會(huì)打斷程序的執(zhí)行，這些情況統(tǒng)稱為異常。在不嚴(yán)格的情況下，異常與中斷也可以混用。程序代碼也可以主動(dòng)請(qǐng)求進(jìn)入異常狀態(tài)的（常用于系統(tǒng)調(diào)用）。CM3的所有中斷機(jī)制都由NVIC實(shí)現(xiàn)。除了支持240個(gè)外中斷之外，NVIC還支持16‐4‐1=11個(gè)內(nèi)部異常源。雖然CM3是支持240個(gè)外中斷的，但具體使用了多少個(gè)是由芯片生產(chǎn)商決定。NMICM3還有一個(gè)NMI（不可屏蔽中斷）輸入腳。當(dāng)它被置為有效時(shí)，NMI服務(wù)程序會(huì)無條件地執(zhí)行,NMI究竟被拿去做什么，還要視處理器的設(shè)計(jì)而定。在多數(shù)情況下，NMI會(huì)被連接到一個(gè)看門狗定時(shí)器，有時(shí)也會(huì)是電壓監(jiān)視功能塊，以便在電壓掉至危險(xiǎn)級(jí)別后警告處理器。NMI可以在任何時(shí)間被激活。向量表當(dāng)一個(gè)發(fā)生的異常被CM3內(nèi)核接受，對(duì)應(yīng)的異常handler（處理程序）就會(huì)執(zhí)行。為了決定handler（程序）的入口地址，CM3使用了“向量表機(jī)制”。這里使用一張向量表。向量表其實(shí)是一個(gè)WORD（32位整數(shù)）數(shù)組，每個(gè)下標(biāo)對(duì)應(yīng)一種異常，該下標(biāo)元素的值則是該異常handler的入口地址。在復(fù)位后，該寄存器的值為0。因此，在地址0處必須包含一張向量表，用于初始時(shí)的異常分配。舉例如果發(fā)生了異常11（SVC），則NVIC會(huì)計(jì)算出偏移移量是11x4=0x2C，然后從那里取出服務(wù)程序的入口地址并跳入。0號(hào)異常的功能則是個(gè)另類，它并不是什么入口地址，而是給出了復(fù)位后MSP的初值。嵌套向量中斷控制器（NVIC）Cortex‐M3在內(nèi)核上搭載了一顆中斷控制器—嵌套向量中斷控制器NVIC(NestedVectoredInterruptController)。NVIC提供如下的功能：可嵌套中斷支持向量中斷支持動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)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(jí)，當(dāng)前優(yōu)先級(jí)被存儲(chǔ)在xPSR的專用字段中。當(dāng)一個(gè)異常發(fā)生時(shí)，硬件會(huì)自動(dòng)比較該異常的優(yōu)先級(jí)是否比當(dāng)前的異常優(yōu)先級(jí)更高。如果發(fā)現(xiàn)來了更高優(yōu)先級(jí)的異常，處理器就會(huì)中斷當(dāng)前的中斷服務(wù)程序，而服務(wù)新來的異常，這個(gè)過程立即搶占。向量中斷支持

當(dāng)開始響應(yīng)一個(gè)中斷后，CM3會(huì)自動(dòng)定位一張向量表，并且根據(jù)中斷號(hào)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(gè)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。這樣會(huì)使中斷延遲時(shí)間大為縮短。中斷源識(shí)別當(dāng)CPU響應(yīng)中斷、保護(hù)斷點(diǎn)之后，就要進(jìn)行中斷源的識(shí)別，即尋找中斷源，找到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口。識(shí)別中斷源有三種方法：查詢法、向量法和強(qiáng)置程序計(jì)數(shù)器法（已被淘汰）。查詢法

通過程序來查詢是哪一個(gè)中斷源提出的中斷請(qǐng)求。過程：在CPU響應(yīng)中斷之后，對(duì)所有的中斷，都進(jìn)入到這個(gè)查詢流程。先看中斷源1是否提出請(qǐng)求，若是，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷源1的中斷服務(wù)程序；否則再看中斷源2是否提出請(qǐng)求，若是，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷源2的中斷服務(wù)程序。否則繼續(xù)查看后面的中斷源…。查詢的順序決定了中斷的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)中斷源提出中斷請(qǐng)求后，就轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的服務(wù)程序，而不再繼續(xù)向下查找，不管它們是否也提出了請(qǐng)求。中斷源1的級(jí)別最高，中斷源2的級(jí)別次之，中斷源n的級(jí)別最低。

查詢法的優(yōu)缺點(diǎn)查詢法的優(yōu)點(diǎn)是硬件簡單，程序?qū)哟畏置?，只要改變程序中的查詢次序即可改變中斷源的中斷?yōu)先級(jí)，而不必變更硬件連接。其缺點(diǎn)是速度慢(從CPU響應(yīng)中斷到進(jìn)入中斷服務(wù)的時(shí)間較長)，實(shí)時(shí)性差，特別是當(dāng)中斷源較多時(shí)，尤為突出。此外，查詢要占用CPU時(shí)間，降低了CPU的使用效率。向量法(矢量法)

這是一種硬件方法，早期系統(tǒng)中稱之為中斷向量，向量法因此得名。該方法是在CPU發(fā)出中斷響應(yīng)信號(hào)后，由硬件確定當(dāng)前所有請(qǐng)求中級(jí)別最高的中斷源的中斷標(biāo)識(shí)碼。中斷標(biāo)識(shí)碼是中斷源的識(shí)別標(biāo)志，可用來形成相應(yīng)的中斷服務(wù)程序的人口地址或存放中斷服務(wù)程序的首地址。該方法需要硬件支持。用向量法識(shí)別中斷源不占用CPU額外的時(shí)間，在中斷響應(yīng)周期即可完成，所以得到廣泛的應(yīng)用。

3.3操作模式和特權(quán)級(jí)別Cortex‐M3處理器支持兩種處理器的操作模式，支持兩級(jí)特權(quán)操作。操作模式兩種操作模式分別為：處理器模式(handlermode)和線程模式（threadmode）。引入兩個(gè)模式的目的，是用于和區(qū)別異常服務(wù)例程的代碼和普通應(yīng)用程序的代碼。特權(quán)極別特權(quán)的分級(jí)——特權(quán)級(jí)和用戶級(jí)。這可以提供一種存儲(chǔ)器訪問的保護(hù)機(jī)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(jí)，這也是系統(tǒng)一個(gè)基本的安全模型。3.4存儲(chǔ)器映射

Cortex‐M3支持4GB存儲(chǔ)空間。由芯片供應(yīng)商定義外部私有外設(shè)總線內(nèi)部私有外設(shè)總線片外外設(shè)片上外設(shè)片外RAM閃存地址重載及斷點(diǎn)單元（FPB）數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)單元（DWT）儀器化跟蹤宏單元（ITM）嵌入式跟蹤宏單元（ETM）跟蹤端口接口單元（TPIU）ROM表相關(guān)解釋

CM3的地址空間是4GB,程序可以在代碼區(qū)、內(nèi)部SRAM區(qū)或者外部RAM區(qū)中執(zhí)行。但是因?yàn)橹噶羁偩€與數(shù)據(jù)總線是分開的，最理想的是把程序放到代碼區(qū)，從而使取指和數(shù)據(jù)訪問各自使用自己的總線。說明：

內(nèi)部SRAM區(qū)的大小是512MB，用于讓芯片制造商連接片上的SRAM。在這個(gè)區(qū)的下部，有一個(gè)1MB的位帶區(qū)，該位帶區(qū)還有一個(gè)對(duì)應(yīng)的32MB的“位帶別名(alias)區(qū)”。（對(duì)比8051的只有128個(gè)位）。位帶區(qū)對(duì)應(yīng)的是最低的1MB地址范圍，而位帶別名區(qū)里面的每個(gè)字對(duì)應(yīng)位帶區(qū)的一個(gè)比特。位帶操作只適用于數(shù)據(jù)訪問，不適用于取指。通過位帶的功能，輕松訪問位帶區(qū)的每一位，像訪問普通內(nèi)存一樣地使用它們。說明：

地址空間的另一個(gè)512MB

范圍由片上外設(shè)（的寄存器）使用。這個(gè)區(qū)中也有一條32MB的位帶別名，以便于快捷地訪問外設(shè)寄存器。例如，可以方便地訪問各種控制位和狀態(tài)位。要注意的是，外設(shè)內(nèi)不允許執(zhí)行指令。說明：

還有兩個(gè)1GB的范圍，分別用于連接外部RAM

和外部設(shè)備區(qū)，它們之中沒有位帶。兩者的區(qū)別在于外部RAM區(qū)允許執(zhí)行指令，而外部設(shè)備區(qū)則不允許。說明：

最后還剩下0.5GB

，CM3內(nèi)核的閨房就在這里面，包括了系統(tǒng)級(jí)組件，內(nèi)部私有外設(shè)總線，外部私有外設(shè)總線，以及由芯片提供者定義的系統(tǒng)外設(shè)。說明：

位帶操作支持了位帶操作后可以使用普通的指令來對(duì)單一的比特進(jìn)行讀寫。在CM3中，有兩個(gè)區(qū)中實(shí)現(xiàn)了位帶操作。其中一個(gè)是SRAM區(qū)的最低1MB

范圍，第二個(gè)則是片內(nèi)外設(shè)區(qū)的最低1MB范圍。這兩個(gè)區(qū)中的地址除了可以像普通的RAM一樣使用外，它們還都有自己的“位帶別名區(qū)”，位帶別名區(qū)把每個(gè)比特膨脹成一個(gè)32位的字。當(dāng)你通過位帶別名區(qū)訪問這些字時(shí)，就可以達(dá)到訪問原始比特的目的。位帶操作的概念其實(shí)30年前就有了，8051單片機(jī)開創(chuàng)的先河。這里的位帶操作是8051位尋址區(qū)的威力大幅加強(qiáng)版。CM3使用如下術(shù)語來表示位帶存儲(chǔ)的相關(guān)地址位帶區(qū)：支持位帶操作的地址區(qū);位帶別名：對(duì)別名地址的訪問最終作用到帶區(qū)的訪問上（注意：這中途有一個(gè)作地址映射過程）。支持位帶操作的兩個(gè)內(nèi)存區(qū)的范圍0x2000_0000‐0x200F_FFFF（SRAM區(qū)中的最低1MB）0x4000_0000‐0x400F_FFFF（片上外設(shè)區(qū)中的最低1MB）對(duì)于SRAM位帶區(qū)的某個(gè)比特，記它所在字節(jié)地址為A,位序號(hào)為n(0<=n<=7)，則該比特在別名區(qū)的地址為：

AliasAddr＝0x22000000+((A‐0x20000000)*8+n)*4=0x22000000+(A‐0x20000000)*32+n*4對(duì)于片上外設(shè)位帶區(qū)的某個(gè)比特，記它所在字節(jié)的地址為A,位序號(hào)為n(0<=n<=7)，則該比特在別名區(qū)的地址為：AliasAddr＝0x42000000+((A‐0x40000000)*8+n)*4=0x42000000+(A‐0x40000000)*32+n*43.5總線接口

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，片外外設(shè)等。CM3處理器的總線接口是基于AHB和APB協(xié)議的，它們的規(guī)格在AMBA規(guī)格書中給出。I-Code總線

I‐Code總線是一條基于AHB總線協(xié)議的32位總線，負(fù)責(zé)在0x0000_0000–0x1FFF_FFFF

之間的取指操作。取指以字的長度執(zhí)行，即使是對(duì)于16位指令也如此。因此CPU內(nèi)核可以一次取出兩條16位Thumb指令。D-Code總線

D‐Code總線也是一條基于AHB總線協(xié)議的32位總線，負(fù)責(zé)在0x0000_0000–0x1FFF_FFFF之間的數(shù)據(jù)訪問操作。系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線也是一條基于AHB總線協(xié)議的32

位總線，負(fù)責(zé)在0x2000_0000–0xDFFF_FFFF和0xE010_0000–0xFFFF_FFFF之間的所有數(shù)據(jù)傳送，取指和數(shù)據(jù)訪問都算上。外部私有外設(shè)總線

這是一條基于APB總線協(xié)議的32位總線。此總線來負(fù)責(zé)0xE004_0000–0xE00F_FFFF之間的私有外設(shè)訪問。但是，由于此APB存儲(chǔ)空間的一部分已經(jīng)被TPIU、ETM以及ROM表用掉了，就只留0xE004_2000‐E00F_F000這個(gè)區(qū)間用于配接附加的（私有）外設(shè)。調(diào)試訪問端口總線

調(diào)試訪問端口總線接口是一條基于“增強(qiáng)型APB規(guī)格”的32位總線，它專用于掛接調(diào)試接口，例如SWJ‐DP和SW‐DP。典型的連接方式Cortex-M3處理器系統(tǒng)方框圖存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）

Cortex‐M3有一個(gè)可選的存儲(chǔ)器保護(hù)單元。配上它之后，就可以對(duì)特權(quán)級(jí)訪問和用戶級(jí)訪問分別施加不同的訪問限制。最常見的就是由操作系統(tǒng)使用MPU，以便使特權(quán)級(jí)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(hù)內(nèi)存時(shí)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?？傊?，它會(huì)使嵌入式系統(tǒng)變得更加健壯（Robust），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(hù)職能。）3.6指令集Cortex‐M3只使用Thumb‐2指令集。在過去，做ARM開發(fā)必須處理好兩個(gè)狀態(tài)。它們是：32位的ARM狀態(tài)和16位的Thumb狀態(tài)。當(dāng)處理器在ARM狀態(tài)下時(shí)，所有的指令均是32位的（哪怕只是個(gè)”NOP”指令），此時(shí)性能相當(dāng)高。而在Thumb狀態(tài)下，所有的指令均是16位的，代碼密度提高了一倍。不過，thumb狀態(tài)下的指令功能只是ARM下的一個(gè)子集，結(jié)果可能需要更多條的指令去完成相同的工作，導(dǎo)致處理性能下降。為了取長補(bǔ)短，很多應(yīng)用程