单片机之ARM Cortex‐M3处理器

一、介绍

Cortex-M3 处理器内核 vs. 基于Cortex-M3的MCU

  • Cortex‐M3处理器内核是单片机的中央处理单元（CPU）。
  • 完整的基于CM3的MCU还需要很多其它组件。
  • 在芯片制造商得到CM3处理器内核的使用授权后，它们就可以把CM3内核用在自己的硅片设计中，添加存储器，外设，I/O以及其它功能块。
  • 不同厂家设计出的单片机会有不同的配置，包括存储器容量、类型、外设等都各具特色。
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基于ARMv7的新架构

基于从ARMv6开始的新设计理念，ARM进一步扩展了它的CPU设计，出现ARMv7架构的新成果。内核架构首次从单一款式变成3种款式。

  • 款式A（ARMv7‐A）：设计用于高性能的“开放应用平台”——越来越接近电脑
  • 款式R（ARMv7‐R）：硬实时且高性能的处理器。
  • 款式M（ARMv7‐M）：用于深度嵌入的，单片机风格的系统中。

ARM处理器名字

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指令系统的开发

从ARM7TDMI开始，ARM处理器一直支持两种形式上相对独立的指令集，它们分别是：

  • 32位的ARM指令集。对应处理器状态：ARM状态
  • 16位的Thumb指令集。对应处理器状态：Thumb状态
    Thumb指令集在功能上是ARM指令集的一个子集。

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Thumb-2指令集体系体系结构（ISA）

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  • Thumb‐2是16位Thumb指令集的一个超集。
  • 16位指令首次与32位指令并存。
  • Cortex‐M3不支持32位ARM指令集。
  • 在支持了both 16位和32位指令之后，处理器状态不需要在Thumb和ARM之间来回的切换。

书籍介绍：

  • ARMv7‐M的私房秘密记录在《The ARMv7‐M Architecture Application Level Reference Manual》中，ARM已经将其公开。
  • 《Cortex-M3 Technical Reference Manual》中记录了实现v7‐M时的很多细节和花絮。
  • 《The Cortex‐M3 Technical Reference Manual》，深入处理器的内心，编程模型，存储器映射，还包括了指令时序。
  • 《 The ARMv7‐M Architecture Application Level Reference Manual》第2版，对指令集和存储器模型都提供了最不嫌繁的说明。其它半导体厂家提供的，基于CM3单片机的数据手册。
  • 《AMBA Specification 2.0》（第4版），它讲了更多AMBA接口的内幕，更多总线协议的细节。
  • 《ARM Application Note 179: Cortex‐M3 Embedded SoftwareDevelopment》（第7版）一些编程技巧和提示。

二、ARM概论

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寄存器组

总论

  • Cortex‐M3 处理器拥有R0‐R15 的寄存器组。
  • R13 作为堆栈指针SP。
  • SP 有两个，但在同一时刻只能有一个可以看到，即所谓的“banked”寄存器。

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R0‐R12

  • R0‐R12 都是32 位通用寄存器，用于数据操作。
  • 绝大多数16 位Thumb 指令只能访问R0‐R7，32 位Thumb‐2 指令可以访问所有寄存器。

R0‐R7

  • R0‐R7 被称为低组寄存器。
  • 所有指令都能访问它们。
  • 它们的字长全是32 位，复位后的初始值是不可预料的。

R8‐R12

  • R8‐R12 被称为高组寄存器。
  • 只有很少的16 位Thumb 指令能访问它们，32位的指令则不受限制。
  • 字长是32 位，且复位后的初始值是不可预料的。

R13：两个堆栈指针

  • 主堆栈指针（MSP），或写作SP_main：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）

  • 进程堆栈指针（PSP），或写作SP_process：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。

  • 当引用R13（或写作SP）时，你引用到的是当前正在使用的那一个，另一个必须用特殊的指令来访问（MRS,MSR 指令）。

  • 在ARM 编程领域中，凡是打断程序顺序执行的事件，都被称为异常(exception)。

  • 除了外部中断外，当有指令执行了“非法操作”，或者访问被禁的内存区间，因各种错误产生的fault，以及不可屏蔽中断发生时，都会打断程序的执行，这些情况统称为异常。

  • 并不是每个应用都必须用齐两个堆栈指针。简单的应用程序只使用MSP就够了。

  • 堆栈指针用于访问堆栈，并且PUSH 指令和POP 指令默认使用SP。
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  • 在Cortex‐M3 中，有专门的指令负责堆栈操作——PUSH 和POP。

PUSH {R0} ; *(--R13)=R0。R13 是long*的指针
POP {R0} ; R0= *R13++

R14：连接寄存器

  • R14 是连接寄存器（LR）。
  • 当呼叫一个子程序时，由R14 存储返回地址。
  • ARM 为了减少访问内存的次数（访问内存的操作往往要3 个以上指令周期，带MMU和cache 的就更加不确定了），把返回地址直接存储在寄存器中。

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。
  • 读PC 时返回的值是当前指令的地址+4。

特殊功能寄存器

  • Cortex‐M3 还在内核水平上搭载了若干特殊功能寄存器。
  • Cortex‐M3 中的特殊功能寄存器包括：
    • 程序状态寄存器组（PSRs 或xPSR）
    • 中断屏蔽寄存器组（PRIMASK, FAULTMASK,以及BASEPRI）
    • 控制寄存器（CONTROL）

它们只能被专用的MSR 和MRS 指令访问，而且它们也没有存储器地址。

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寄存器 功能
xPSR 记录ALU 标志（0 标志，进位标志，负数标志，溢出标志），执行状态，以及当前正服务的中断号
PRIMASK 除能所有的中断——当然了，不可屏蔽中断（NMI）才不甩它呢。
FAULTMASK 除能所有的fault——NMI 依然不受影响，而且被除能的faults 会“上访”，见后续章节的叙述。
BASEPRI 除能所有优先级不高于某个具体数值的中断。
CONTROL 定义特权状态（见后续章节对特权的叙述），并且决定使用哪一个堆栈指针

操作模式和特权极别

  • 两种操作模式分别为：处理者模式(handler mode)和线程模式（thread mode）。

  • 引入两个模式的本意，是用于区别普通应用程序的代码和异常服务例程的代码——包括中断服务例程的代码。

  • Cortex‐M3 的另一个侧面则是特权的分级——特权级和用户级。

  • 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。

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  • 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；
  • 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。

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合法的操作模式准换图如下：
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存储器映射

  • Cortex‐M3 支持4GB 存储空间。
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  • 通过把片上外设的寄存器映射到外设区，就可以简单地以访问内存的方式来访问这些外设的寄存器，从而控制外设的工作。

  • 所有这些设备均使用固定的地址。

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）：

  • 指令存储区总线（两条）
    I‐Code 总线和D‐Code 总线，负责对代码存储区的访问。前者用于取指，后者用于查表等操作。
  • 系统总线
    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
    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。

存储器保护单元（MPU）

  • 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。

  • 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。

指令集

  • Cortex‐M3 只使用Thumb‐2 指令集。
  • 以前使用ARM指令和Thumb指令两种状态下的切换操作：
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  • 缺点即：增加时间上的额外开销。

中断和异常

  • 支持11 种系统异常（保留了4+1 个档位），外加240 个外部中断输入。
  • CM3 的所有中断机制都由NVIC 实现。

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  • 具体使用了多少个是由芯片生产商决定。
  • CM3 还有一个NMI（不可屏蔽中断）输入脚。当它被置为有效（assert）时，NMI 服务例程会无条件地执行。

调试支持

  • 最主要的就是程序执行控制，包括停机(halting)、单步执行(stepping)、指令断点、数据观察点、寄存器和存储器访问、性能速写（profiling）以及各种跟踪机制。
  • 不同于以往的ARM 处理器，内核本身不再含有JTAG 接口。
  • 取而代之的是CPU 提供称为“调试访问接口(DAP)”的总线接口。
  • 可以访问芯片的寄存器，也可以访问系统存储器，甚至是在内核运行的时候访问。
  • 对此总线接口(DAP)的使用，是由一个调试端口(DP)设备完成的。
  • DPs 不属于CM3 内核，但它们是在芯片的内部实现的。
  • 可用的DPs 包括SWJ‐DP(既支持传统的JTAG 调试，也支持新的串行线调试协议)，另一个SW‐DP (去掉了对JTAG 的支持),ARM CoreSignt 产品家族的JTAG‐DP 模块。

三、ARM基础

流水线

  • Cortex‐M3 处理器使用一个3 级流水线。流水线的3 级分别是：取指，解码和执行。
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Cortex-M3 处理器系统方框图

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Cortex-M3 的总线接口

I-Code 总线

  • 基于AHB‐Lite 总线协议的32 位总线，负责在0x0000_0000 –0x1FFF_FFFF 之间的取指操作。
  • 取指以字的长度执行，即使是对于16 位指令也如此。
  • CPU 内核可以一次取出两条16 位Thumb 指令。

D-Code 总线

  • 基于AHB‐Lite 总线协议的32 位总线，负责在0x0000_0000 –0x1FFF_FFFF 之间的数据访问操作。
  • 处理器的总线接口会把非对齐的数据传送都转换成对齐的数据传送。因此，连接到D‐Code 总线上的任何设备都只需支持AHB‐Lite 的对齐访问，不需要支持非对齐访问。

系统总线

  • 基于AHB‐Lite 总线协议的32 位总线，负责在0x2000_0000 –0xDFFF_FFFF 和0xE010_0000 – 0xFFFF_FFFF 之间的所有数据传送。
  • 支持取指和数据访问，所有的数据传送都是对齐的。

外部私有外设总线

  • 基于APB 总线协议的32 位总线。此总线来负责0xE004_0000 – 0xE00F_FFFF 之间的私有外设访问。
  • 只留下了0xE004_2000‐E00F_F000 这个区间用于配接附加的（私有）外设。

调试访问端口总线

  • 基于“增强型APB 规格”的32 位总线。
  • 专用于挂接调试接口，例如SWJ‐DP 和SW‐DP。

各总线典型的连接方式

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复位信号

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posted @ 2023-05-16 23:33  登云上人间  阅读(518)  评论(0)  编辑  收藏  举报