cortex-m3基础-概览

• 简介

cortex-m3是一个32位处理器内核：总线（数据、地址）宽度是32位、寄存器位宽是32位；内核结构为哈佛结构，拥有独立的数据总线和指令总线，可以并行进行指令执行和数据访问；

一、寄存器组

cortex-m3拥有R0-R15寄存器，其中R0-R12为通用寄存器

• 通用寄存器

通用寄存器用于数据操作，绝大多数16位thumb指令只能访问R0-R7，32位Thumb指令可以访问所有的

• Banked R13：MSP和PSP，两个堆栈寄存器，同一时刻只能使用其中一个，堆栈指针的低两位永远是0，堆栈总是4字节对齐的

• 主堆栈寄存器（MSP）：复位后缺省使用的堆栈寄存器，用于操作系统内核和异常处理例程（包含中断服务程序
• 进程堆栈寄存器：由用户的应用代码使用

• R14连接寄存器LR

当调用一个函数时，LR记录调用函数返回的地址，当调用关系超过两层时，则会一级一级将函数的返回地址压入栈中

• R15程序计数寄存器PC

指向当前的程序运行地址

• 特殊功能寄存器

 

二、操作模式和特权级别

• 两种模式

• handler模式：当检测到中断、异常时运行的模式
• thread模式：用户应用程序运行

• 特权级别

• 特权级：处理器中比较高级的执行级别，可以执行任何指令、访问任何寄存器和存储器
• 用户级：访问受限的存储器空间和和系统资源，无法执行系统级别指令
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三、内建的嵌套向量中断控制器（NVIC）

• 嵌套向量中断控制器负责管理微控制器的内部中断和外部中断请求，包含优先级管理、嵌套管理、使能禁用管理、挂起清除管理、向量表重定位管理。
• 嵌套向量中断控制器缩短中断延时、使控制器的中断更加的灵活好用

四、存储器映射

五、总线接口

cortex-m3内部拥有多个总线接口，可以同时进行取址和访问内存

• 指令存储总线（I-Code、D-Code）：多code区的访问，负责代码运行时取指令和取数据
• 系统总线：CPU对内存和外设的访问、包含数据访问、地址访问和控制
• 外设总线：访问非共享的外设设备

六、存储器保护单元（MPU）

• 可以根据实际需求对不同的内存区域增加不同的访问权限，当检测到访问越限时mpu会产生一个fault异常。
• 可以利用MPU实现多进程系统，实现多个进程独享内存空间。
• 可以将固定区域设定权限，保证数据访问的安全性和隐私性

七、指令集

cortex-m3只使用thumb-2指令集，既允许32位指令又允许16位指令。

• 指令举例

• UBFX，BFI，BFC；位段提取、插入、清零，支持C位段，简化外设寄存器的操作
• CLZ，RBIT；计算前导指令和位反转指令
• UDIV，SDIV；无符号除法和带符号除法
• SEV，WFE，WFI；发送事件、等待事件和等待中断，可以用于多处理器之间的任务同步和休眠管理
• MSR，MRS；访问特殊功能寄存器

八、中断和异常

• CM3支持240条中断和11个内部异常，可以实现fault管理机制
• CM3去掉了FIQ机制，但是使用NVIC能实现更好的FIQ功能
• 支持NMI（不可屏蔽中断）输入引脚，当这个中断触发时，NMI服务例程会无条件执行

九、调试支持

• cortex-m3提供了程序执行控制、暂停、单步执行、指令断点、数据观察、寄存器存储器访问等各种调试跟踪机制
• 支持停机模式和监视器模式
• 支持JTAG和SW两种主机调试接口，通过DAP与调试器进行通信
• 支持调试信息输出，允许软件在运行时将控制台消息通过调试口输出
• 支持对时钟周期、指令执行数、中断开销进行计数统计，有助于对系统的性能分析和优化