Cortex-M3缩略语
AMBA:先进单片机总线架构 ADK:AMBA设计套件AHB:先进高性能总线 AHB-AP:AHB访问端口APB:先进外设总线 ARM ARM:ARM架构参考手册ASIC:行业领域专用集成电路 ATB :先进跟踪总线BE8:字节不变式大端模式 CPI:每条指令的周期数DAP:调试访问端口 DSP:数字信号处理(器)DWT:数据观察点及跟踪 ETM:嵌入式跟踪宏单元FPB:闪存地址重载及断点 FSR:fault状态寄存器HTM:Core Sight AHB跟踪宏单元ICE:在线仿真器 IDE:集成开发环境IRQ:中断请求(通常是外中断请求)ISA:指令系统架构 ISR:中断服务例程ITM:仪器化跟踪宏单元 JTAG:连接点测试行动组(一个关于测试和调试接口的标准)LR:连接寄存器LSB:最低有效位MSB:最高有效位LSU:加载存储单元MCU:微控制器单元MPU:存储器保护单元MMU:存储器管理单元MSP:主堆栈指针NMI:不可屏蔽中断NVIC:嵌套向量中断控制器PC:程序计数器PPB:私有外设总线
数值
1. 4''hC , 0x123 都表示16进制数
2. #3表示数字3 (e.g., IRQ #3 就是指3号中断)
3. #immed_12表示一个12位的立即数
4. 寄存器位。通常是表示一个位段的数值,例如
bit[15:12] 表示位序号从15往下数到12,这一段的数值。
寄存器访问类型
R :表示只读
W:表示只写
RW :表示可读可写(前3条好像地球人都知道)
R/Wc :表示可读,但是写访问将使之清 0
Cortex-M3芯片简介
芯片的基本结构如下图:在这个版本中,内核架构首次从单一款式变成3种款式:
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款式A:设计用于高性能的“开放应用平台”——越来越接近电脑了
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款式R:用于高端的嵌入式系统,尤其是那些带有实时要求的——又要快又要实时。
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款式M:用于深度嵌入的,单片机风格的系统中
介绍:
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A:用于高性能的“开放应用平台”,应用在那些需要运行复杂应用程序的处理器。支持大型嵌入式操作系统
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R:用于高端的嵌入式系统,要求实时性的
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M:用于深度嵌入的、单片机风格的系统中
高性能+高代码密度+小硅片面积,使得CM3大面积地成为理想的处理平台,主要应用在以下领域:
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低成本单片机
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汽车电子
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数据通信
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工业控制
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消费类电子产品
(2)Cortex-M3的简化图
(3)寄存器组
处理器拥有R0-R15的寄存器组,其中R13最为堆栈指针SP,SP有两个,但是同一时刻只能有一个可以看到,这就是所谓的“banked”寄存器。-
R0-R12都是 32位通用寄存器,用于数据操作。但是注意:绝大多数 16位Thumb指令只能访问R0-R7,而 32位 Thumb-2指令可以访问所有寄存器。
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Cortex-M3拥有两个堆栈指针,然而它们是 banked,因此任一时刻只能使用其中的一个。
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主堆栈指针(MSP):复位后缺省使用的堆栈指针,用于操作系统内核以及异常处理例程(包括中断服务例程)。
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进程堆栈指针(PSP):由用户的应用程序代码使用。堆栈指针的最低两位永远是0,这意味着堆栈总是4字节对齐的。
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R14:连接寄存器--当呼叫一个子程序时,由R14存储返回地址。
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R15:程序计数寄存器--指向当前的程序地址,如果修改它的值,就能改变程序的执行流(这里有很多高级技巧)。
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Cortex-M3还在内核水平上搭载了若干特殊功能寄存器,包括程序状态字寄存器组(PSRs)、中断屏蔽寄存器组(PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI)、控制寄存器(CONTROL)。
Cortex-M3 的另一个侧面则是特权的分级——特权级和用户级。这可以提供一种存储器访问的保护机制,使得普通的用户程序代码不能意外地,甚至是恶意地执行涉及到要害的操作。处理器支持两种特权级,这也是一个基本的安全模型。
在 CM3 运行主应用程序时(线程模式),既可以使用特权级,也可以使用用户级;但是异常服务例程必须在特权级下执行。复位后,处理器默认进入线程模式,特权极访问。在特权级下,程序可以访问所有范围的存储器(如果有 MPU,还要 在MPU规定的禁地之外),并且可以执行所有指令。 在特权级下的程序可以为所欲为,但也可能会把自己给玩进去——切换到用户级。一旦进入用户级,再想回来就得走“法律程序”了——用户级的程序不能简简单单地试图改写 CONTROL寄存器就回到特权级,它必须先“申诉”:执行一条系统调用指令(SVC)。这会触发SVC异常,然后由异常服务例程(通常是操作系统的一部分)接管,如果批准了进入,则异常服务例程修改 CONTROL寄存器,才能在用户级的线程模式下重新进入特权级。事实上,从用户级到特权级的唯一途径就是异常:如果在程序执行过程中触发了一个异常,处理器总是先切换入特权级,并且在异常服务例程执行完毕退出时,返回先前的状态。
通过引入特权级和用户级,就能够在硬件水平上限制某些不受信任的或者还没有调试好的程序,不让它们随便地配置涉及要害的寄存器,因而系统的可靠性得到了提高。进一步地,如果配了 MPU,它还可以作为特权机制的补充——保护关键的存储区域不被破坏,这些区域通常是操作系统的区域。 (4)内建的嵌套向量中断控制器 Cortex-M3 在内核水平上搭载了一颗中断控制器——嵌套向量中断控制器 NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。它与内核有很深的“亲密接触”——与内核是紧耦合的。NVIC提供如下的功能:-
可嵌套中断支持
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向量中断支持
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动态优先级调整支持
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中断延迟大大缩短
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中断可屏蔽
(6)总线接口 Cortex-M3内部有若干个总线接口,以使 CM3能同时取址和访内(访问内存),它们是:
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指令存储区总线(两条)
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系统总线
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私有外设总线
有两条代码存储区总线负责对代码存储区的访问,分别是 I-Code 总线和 D-Code 总线。前者用于取指,后者用于查表等操作,它们按最佳执行速度进行优化。
系统总线用于访问内存和外设,覆盖的区域包括 SRAM,片上外设,片外 RAM,片外扩展设备,以及系统级存储区的部分空间。 私有外设总线负责一部分私有外设的访问,主要就是访问调试组件。它们也在系统级存储区。 (7)存储器保护单元(MPU) Cortex-M3有一个可选的存储器保护单元。配上它之后,就可以对特权级访问和用户级访问分别施加不同的访问限制。当检测到犯规(violated)时,MPU 就会产生一个 fault 异常,可以由fault异常的服务例程来分析该错误,并且在可能时改正它。 MPU 有很多玩法。最常见的就是由操作系统使用 MPU,以使特权级代码的数据,包括操作系统本身的数据不被其它用户程序弄坏。MPU在保护内存时是按区管理的。它可以把某些内存 region设置成只读,从而避免了那里的内容意外被更改;还可以在多任务系统中把不同任务之间的数据区隔离。一句话,它会使嵌入式系统变得更加健壮,更加可靠。 很多行业标准,尤其是航空的,就规定了必须使用 MPU来行使保护职能。(8)Cortex-M3的简评-
高性能
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先进的中断处理功能
优化中断响应还有两招,它们分别是“咬尾中断机制”和“晚到中断机制”。
有些需要较多周期才能执行完的指令,是可以被中断-继续的——就好比它们是一串指令一样。这些指令包括加载多个寄存器(LDM),存储多个寄存器(STM),多个寄存器参与的PUSH,以及多个寄存器参与的 POP。
除非系统被彻底地锁定,NMI(不可屏蔽中断)会在收到请求的第一时间予以响应。对很多安全-关键(safety-critical)的应用,NMI都是必不可少的(如化学反应即将失控时的紧急停机)。总结 以上内容总结了STM32的一些基本知识,希望能为STM32的学习打好基础。