ARMCortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)

1、ARM Cortex-M3 內(nèi)核結(jié)構(gòu)2.1 ARM Cortex-M3 處理器簡介2.1.1 概述ARM公司成立于上個世紀(jì)九十年代初，致力于處理器內(nèi)核研究，ARM 即 Advanced RISC Machines 的縮寫，ARM公司本身不生產(chǎn)芯片，只設(shè)計內(nèi)核，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可，由合作伙伴公司來生產(chǎn)各具特色的 芯片。這種運(yùn)行模式運(yùn)營的成果受到全球半導(dǎo)公司以及用戶的青睞。目前ARM體系結(jié)構(gòu)的處理器內(nèi)核有： ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI、ARM11以及Cortex等。2005年ARM推出的ARM Cortex系列內(nèi)核，分別為：A系列、R系列和M系列，其中A系列是針對可以運(yùn)行復(fù)

2、雜操作系統(tǒng)（Linux、Windows CE、Symbian 等）的處理器；R系列是主要針對處理實時性要求較高的處理器（汽車電子、網(wǎng)絡(luò)、影像系統(tǒng)）；M系列 又叫微控制器，對開發(fā)費(fèi)用敏感，對性能要求較高的場合。Cortex-M系列目前的產(chǎn)品有M0、M1、M3，其中M1用在FPGA中。Cortex-M系列對微控制器和低成本應(yīng) 用提供優(yōu)化，具有低成本、低功耗和高性能的特點，能夠滿足微控制器設(shè)計師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的需求。其 中，ARM Cortex-M3處理器的性能是ARM7的兩倍，而功耗卻只有ARM7的1/3，適用于眾多高性能、極其低 成本需求的嵌入式應(yīng)用，如微控制器、汽車系統(tǒng)、大型家用電器、網(wǎng)絡(luò)裝置等

3、，ARM Cortex-M3提供了 32位微控制器市場前所未有的優(yōu)勢。Cortex-M3內(nèi)核，內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑為32位，寄存器為32位，存儲器接口也是32位。Cortex-M3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)訪問分開進(jìn)行。Cortex-M3還提供一個 可選的MPU，對存儲器進(jìn)行保護(hù)，而且在需要的情況下也可以使用外部的cache。另外在Cortex-M3中， 存儲器支持小端模式和大端存儲格式。Cortex-M3內(nèi)部還附贈了很多調(diào)試組件，用于在硬件水平上支持 調(diào)試操作，如指令斷點，數(shù)據(jù)觀察點等。另外，為支持更高級的調(diào)試，還有其它可選組件，包括指令跟 蹤和多種類型的調(diào)試

4、接口。2.1.2 內(nèi)核結(jié)構(gòu)組成及功能描述Cortex-M3微控制器內(nèi)核包括處理核心和許多的組件，目的是用于系統(tǒng)管理和調(diào)試支持。如圖2.1為 Cortex-M3內(nèi)核方框圖。NMI 中斷號239:0SLEEPING SLEEPDEEPNVICSysTick中斷睡眠CM3核調(diào)試指令數(shù)據(jù)MPUCortex-M3觸發(fā)ETMTPIUFPBDWTITM專用外 設(shè)總線SW-DP JTAG-DP專用外設(shè)總線（內(nèi)部） AHB-APAPBROM表總線矩陣I-code總線D-code總線系統(tǒng)總線總線矩陣系統(tǒng)總線（AHB）靜態(tài) RAM外部 RAM外部控制器設(shè)備AHB to APB 總線Flash 存 儲器SRAM 可選

5、配外部 RAMI/O外設(shè)總線UARTPWMTimer圖 2.1 Cortex-M3 內(nèi)核方框圖1.處理器內(nèi)核Cortex-M3處理器內(nèi)核采用ARMv7-M架構(gòu)，其主要特性如下：lThumb-2指令集架構(gòu)（ISA）的子集，包含所有基本的16位和32位Thumb-2指令；l哈佛處理器架構(gòu)，在加載/存儲數(shù)據(jù)的同時能夠執(zhí)行指令取指；l帶分支預(yù)測的三級流水線；l32位單周期乘法；l硬件除法；lThumb狀態(tài)和調(diào)試狀態(tài)；l處理模式和線程模式；lISR的低延遲進(jìn)入和退出；l 可中斷-可繼續(xù)（interruptible-continued）的LDM/STM、PUSH/POP；l 支持ARMv6類型BE8/LE

6、；l支持ARMv6非對齊訪問。2.NVIC（嵌套向量中斷控制器）NVIC與處理器內(nèi)核是緊密耦合的，這樣可實現(xiàn)快速、低延遲的異常處理。在Cortex-M微控制器此功 能非常強(qiáng)大。3.總線矩陣總線矩陣用來將處理器和調(diào)試接口與外部總線相連。 處理器包含4 個總線接口：lICode 存儲器接口：從Code 存儲器空間（0x00000000x1FFFFFFF）的取指都在這條32 位 AHBLite 總線上執(zhí)行。lDCode 存儲器接口：對Code 存儲器空間（0x00000000x1FFFFFFF）進(jìn)行數(shù)據(jù)和調(diào)試訪問都 在這條32 位AHBLite 總線上執(zhí)行。l系統(tǒng)接口：對系統(tǒng)空間（0x2000000

7、00xDFFFFFFF）進(jìn)行取指、數(shù)據(jù)和調(diào)試訪問都在這條32 位 AHBLite 總線上執(zhí)行。l外部專用外設(shè)總線（PPB）：對外部PPB 空間（0xE00400000xE00FFFFF）進(jìn)行數(shù)據(jù)和調(diào)試訪 問都在這條32 位APB 總線（AMBA v2.0）上執(zhí)行。跟蹤端口接口單元（TPIU）和廠商特定的 外圍器件都在這條總線上。注：處理器包含一條內(nèi)部專用外設(shè)總線，用來訪問嵌套向量中斷控制器（NVIC）、數(shù)據(jù)觀察點和 觸發(fā)（DWT）、Flash 修補(bǔ)和斷點（FPB），以及存儲器保護(hù)單元（MPU）。4.FPBFPB單元實現(xiàn)硬件斷點以及從代碼空間到系統(tǒng)空間的修補(bǔ)訪問，F(xiàn)PB有8個比較器。5.DWT數(shù)

8、據(jù)觀察點和跟蹤，調(diào)試功能部件。6.ITMITM是一個應(yīng)用導(dǎo)向（application driven）的跟蹤源，支持對應(yīng)用事件的跟蹤和printf類型的調(diào) 試。7.MPU存儲器保護(hù)單元（MPU）是用來保護(hù)存儲器的一個元件。處理器支持標(biāo)準(zhǔn)的ARMv7“受保護(hù)的存儲器 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”（PMSA）模型。如果希望向處理器提供存儲器保護(hù)，則可以使用可選的MPU；MPU對訪問允許 和存儲器屬性進(jìn)行檢驗。它包含8個區(qū)和一個可選的執(zhí)行默認(rèn)存儲器映射訪問屬性的背景區(qū)。8.ETMETM支持指令跟蹤的低成本跟蹤宏單元。9.TPIUTPIU用作來自ITM和ETM（如果存在）的Cortex-M3內(nèi)核跟蹤數(shù)據(jù)與片外跟蹤端口分析

9、儀之間的橋接。10.SW/JTAG-DPCortex-M3處理器可配置為具有SW-DP或JTAG-DP調(diào)試端口的接口，或兩者都有。這兩個調(diào)試端口提 供對系統(tǒng)中包括處理器寄存器在內(nèi)的所有寄存器和存儲器的調(diào)試訪問。2.2 內(nèi)核寄存器組織如圖 2.2 所示，Cortex_M3 內(nèi)核寄存器分為 16 個通用寄存器 R0R15 和 7 個特殊功能寄存器。R0R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13（SP）R14（LR）R15（PC）低 寄 存 器通 用 寄 存 器高寄 存 器特殊狀態(tài)寄存器 功能中斷屏蔽寄寄存器 存器控制寄存器xPSRPRIMASKFAULTMASKBASEPRICO

10、NTROLMSP PSP圖 2.2 寄存器組織圖2.2.1 通用寄存器 R0-R15R0R12 寄存器：是真正意義上的通用。在處理器運(yùn)行過程中，作數(shù)據(jù)的寄存。R13 為堆棧指針寄存器：堆棧指針是用于訪問堆棧，也即系統(tǒng)的 RAM 區(qū)。Cortex_M3 中采用了兩個 堆棧指針：主堆棧指針（MSP）和進(jìn)程堆棧指針（PSP），R13 在任何時刻只能是其中一個，默認(rèn)情況為 MSP，可以通過控制寄存器（CONTORL）來改變。Cortex_M3 中堆棧方向是向低地址方向增長，為滿堆棧 機(jī)制。堆棧操作是通過 PUSH 和 POP 來完成操作的。例如 MSP 當(dāng)前指針指向：0x2000_000C；R0=0x

11、00000000。 執(zhí)行：PUSHR0此時 MSP 指向：0x2000_0008 執(zhí)行示意如圖 2.3 所示。已使用已使用上次壓入的數(shù)據(jù)未用未用RAMRAM0x2000_000C MSP向 下 生已使用已使用已使用0x00000000未用0x2000_0008長 MSP2.3 堆棧操作示意圖R14 程序連接寄存器（LR）：在執(zhí)行分支（B）和鏈接（BL）指令或帶有交換分支（BX）和鏈接 指令（BLX）時，PC 的返回地址自動保存進(jìn) LR。比如在子程序調(diào)用時用保存子程序的返回地址。LR 也用于異常返回，但是在這里保存的是返回后的狀態(tài)，不是返回的地址，異常返回是通過硬件自動出棧 彈出之前壓入的 PC

12、 完成的。R15 程序計數(shù)器（PC）：是程序運(yùn)行的基礎(chǔ)，具有自加的功能。該寄存器的位 0 始終為 0，因此，指令始終與字或半字邊界對齊。2.2.2 特殊功能寄存器特殊功能寄存器分為程序狀態(tài)寄存器、中斷屏蔽寄存器和控制寄存器三類。xPSR 程序狀態(tài)寄存器：系統(tǒng)級的處理器狀態(tài)可分為 3 類，應(yīng)用狀態(tài)寄存器（APSR）、中斷狀態(tài)寄 存器（IPSR）、執(zhí)行狀態(tài)寄存器（EPSR），可組合起來構(gòu)成一個 32 位的寄存器，統(tǒng)稱 xPSR。表 2.1 xPSR 寄存器寄存 器名位313029282726:252423:2019:1615:10987654:0APSRNZCVQIPSR中斷編號EPSRICI/I

13、TTICI/ITxPSR 寄存器的各位的功能如表 2.2：表 2.2 xPSR 寄存器各位功能位名稱定義31N負(fù)數(shù)或小于標(biāo)志：1：結(jié)果為負(fù)數(shù)或小于；0 結(jié)果為正數(shù)或大于30Z零標(biāo)志：1：結(jié)果為 0；0：結(jié)果為非 029C進(jìn)位/借位標(biāo)志：1：進(jìn)位或借位；0 沒有進(jìn)位或借位28V溢出標(biāo)志：1：溢出；0：沒有溢出27Q粘著飽和標(biāo)志：1：已飽和；0：沒有飽和26:2515:10ITIF-Then 位。它們是 if-Then 指令的執(zhí)行狀態(tài)位。 包含 if-Then 模塊的指令數(shù)目和它們的執(zhí)行條件24T用于指示處理器當(dāng)前是 ARM 狀態(tài)還是 Thumb 狀態(tài)15:12ICI可中斷-可繼續(xù)的指令位：如果在

14、執(zhí)行 LDM 或 STM 操作時產(chǎn)生一次中斷，則 LDM 或 STM 操作暫停，該位來保存該操作中下一個寄存器操作數(shù)的編號，在中斷響 應(yīng)之后，處理器返回由該位指向的寄存器并恢復(fù)操作。8:0ISR占先異常的編號中斷屏蔽寄存器：分為三組，分別是 PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI。PRIMASK 為片上外設(shè)總中斷開關(guān)，該寄存器只有位 0 有效，當(dāng)該位為 0 是響應(yīng)所有外設(shè)中斷；當(dāng)該位為 1 時屏蔽所有片上外設(shè)中斷。FAULTMASK 寄存器管理系統(tǒng)錯誤的總開關(guān)，該寄存器中有位 0 有效，當(dāng)該位為 0 時，響應(yīng)所有的異常；為 1 屏蔽所有的異常。BASEPRI 寄存器用來屏蔽優(yōu)先級等

15、于和小于某一個中斷數(shù)值的寄存器?？刂萍拇嫫鳎篊ONTROL 有兩個作用，其一用于定義處理器特權(quán)級別，其二用于選擇堆棧指針，如表 3.3 所示。表 2.3 CONTROL 寄存器位功能CONTROL1堆棧指針選擇0：選擇主堆棧指針 MSP1：選擇進(jìn)程堆棧指針 PSPCONTROL00：特權(quán)級1：用戶級CONTROL0：異常情況下，處理器總是處于特權(quán)模式，CONTROL0位總是為 0；在線程模式情況下（非異常情況），處理器可以工作在特權(quán)級也可工作在用戶級，該位可為 0 或 1。特權(quán)級下所有的資源 都可以訪問，而用戶級下被限制的資源不能訪問，比如 MPU 被限制的資源。CONTROL1：為 0 時，

16、只使用 MSP，此時用戶程序和異常共享同一個堆棧，處理器復(fù)位后默認(rèn)的也 是該模式。為 1 時，用戶應(yīng)用程序使用進(jìn)程堆棧 PSP，而中斷任然得使用主堆棧 MSP。這種雙堆棧機(jī)制， 特別適合在帶有 OS（操作系統(tǒng)）的環(huán)境下使用，只要 OS 內(nèi)核在特權(quán)級下執(zhí)行，而用戶應(yīng)用程序在用戶 模式下執(zhí)行，就可很好的將代碼隔離互不影響。2.3 處理器操作模式ARM Cortex-M3支持2個模式和兩個特權(quán)等級。如圖2.4所示，在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序中，程序代碼 涉及異常服務(wù)程序代碼和非異常服務(wù)程序代碼，這些代碼可以工作在處理器特權(quán)級也可以工作在用戶級 級，但有區(qū)別。當(dāng)處理器處在線程模式下時，既可以使用特權(quán)級，也可

17、以使用用戶級；另一方面，handler 模式總是特權(quán)級的。在復(fù)位后，處理器進(jìn)入線程模式特權(quán)級。特權(quán)級用戶級Handler 模式錯誤的用法線程模式線程模式異常 handler 的代碼 主應(yīng)用程序的代碼圖 2.4 操作模式和特權(quán)等級在線程模式用戶級下，對系統(tǒng)控制空間（SCS，0xE000E0000xE000EFFF，包括NVIC、SysTick、 MPU以及代碼調(diào)試控制所用的寄存器）的訪問將被禁止。除此之外，還禁止使用MRS/MSR訪問，除了APSR 之外的特殊功能寄存器。如果操作，則對于訪問特殊功能寄存器的，訪問操作被忽略；而對于訪問SCS 空間的，將產(chǎn)生錯誤。在特權(quán)級下不管是任何原因產(chǎn)生了任何

18、異常，處理器都將以特權(quán)級來運(yùn)行其服務(wù)例程，異常返回 后，系統(tǒng)將回到產(chǎn)生異常時所處的級別，同時特權(quán)級也可通過置位CONTROL0來進(jìn)入用戶級。用戶級下 的代碼不能再試圖修改CONTROL0來回到特權(quán)級。它必須通過一個異常handler，來修改CONTROL0， 才能在返回到線程模式后進(jìn)入特權(quán)級。如圖2.5所示。特權(quán)級 handler模式CONTROL0=1異常服務(wù) 例程CONTROL0=0異常服務(wù) 例程特權(quán)級 線 啟 動 程模式代碼用戶級 線 程模式異常異常用戶用戶程序程序特權(quán)級的 線程圖 2.5 處理器模式轉(zhuǎn)換圖把代碼按特權(quán)級和用戶級分開處理，有利于使Cortex-M3的架構(gòu)更加穩(wěn)定可靠。例如

19、，當(dāng)某個用戶 程序代碼出問題時，可防止處理器對系統(tǒng)造成更大的危害，因為用戶級的代碼是禁止寫特殊功能寄存器 和NVIC中寄存器的。另外，如果還配有MPU，保護(hù)力度就更大，甚至可以阻止用戶代碼訪問不屬于它的 內(nèi)存區(qū)域。在引入了嵌入式實時操作系統(tǒng)中，為了避免系統(tǒng)堆棧因應(yīng)用程序的錯誤使用而毀壞，我們可以給 應(yīng)用程序?qū)ｉT配一個堆棧，不讓它共享操作系統(tǒng)內(nèi)核的堆棧。在這個管理制度下，運(yùn)行在線程模式的用 戶代碼使用PSP，而異常服務(wù)例程則使用MSP。這兩個堆棧指針的切換是智能全自動的，在異常服務(wù)的始 末由Cortex-M3硬件處理。如前所述，特權(quán)等級和堆棧指針的選擇均由CONTROL負(fù)責(zé)。 當(dāng)CONTROL0

20、=0，在異常處理的始末，只發(fā)生了處理器模式的轉(zhuǎn)換，如圖2.6所示。 若CONTROL0=1（線程模式+用戶級），則在中斷響應(yīng)的始末，處理器模式和特權(quán)等級都要發(fā)生變化，如圖2.7所示。 CONTROL0只有在特權(quán)級下才能訪問。用戶級的程序如想進(jìn)入特權(quán)級，通常都是使用一條“系統(tǒng)服務(wù)呼叫指令（SVC）”來觸發(fā)“SVC異?！?，該異常的服務(wù)例程可以視具體情況而修改CONTROL0。中斷事件中斷服務(wù)程序中斷返回主程序入棧出棧線 程 模 式（特權(quán)級）Handler 模 式（特權(quán)級）線 程 模 式（特權(quán)級）圖 2.6 中斷前后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換中斷事件中斷服務(wù)程序中斷返回主程序入棧出棧線 程 模 式（用戶級）Hand

21、ler 模 式（特權(quán)級）線 程 模 式（用戶級）圖 2.7 中斷前后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換+特權(quán)等級切換2.4 存儲器系統(tǒng)2.4.1 存儲器映射Cortex-M3 采用了固定的存儲映射結(jié)構(gòu)，如圖 2.8 所示。Cortex-M3 的地址空間是 4GB, 程序可以在代碼區(qū)，內(nèi)部 SRAM 區(qū)以及外部 RAM 區(qū)中執(zhí)行。但是因為 指令總線與數(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)訪問各自使用己的總 線。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，這個區(qū)通過系統(tǒng)總線來訪問。 在這個區(qū)的下部，有一個 1MB 的區(qū)間，被稱為“位帶區(qū)”。該位帶區(qū)還有一個對應(yīng)的

22、32MB 的 “位帶別 名(alias)區(qū)”，容納了 8M 個“位變量”（對比 8051 的只有 128 個位變量），位帶區(qū)對應(yīng)的是最低的 1MB 地址范圍，而位帶別名區(qū)里面的每個字對應(yīng)位帶區(qū)的一個比特。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，可以把多個布爾型數(shù)據(jù)打包在單一的字中，卻依然可以從位帶別名區(qū)中， 像訪問普通內(nèi)存一樣地使用它們。位帶別名區(qū)中的訪問操作是原子的，消滅了傳統(tǒng)的“讀改寫”三 步。ROM外部 PPBETMTPIU0xE00FFFFF0xE00FF0000xE00420000xE00410000xE0040000保留NVIC保留FPBDWTITM0xE003F

23、FFF0xE000F0000xE000E0000xE00030000xE00020000xE00010000xE000000032MB 位帶別名區(qū)31MB1MB 位帶區(qū)0x43FFFFFF0x420000000x41FFFFFF0x401000000x4000000032MB 位帶別名區(qū)31MB1MB 位帶區(qū)0x23FFFFFF0x220000000x21FFFFFF0x201000000x200000000xFFFFFFFF芯片廠商定義內(nèi)核 私有 區(qū)域 512MB外部私有外設(shè)總線內(nèi)部私有外設(shè)總線片外外設(shè) 1.0GB片外 RAM 1.0GB片上外設(shè)區(qū) 512MB片上 SRAM 512MB代碼區(qū)

24、 512MB0xE01000000xE00FFFFF0xE00400000xE003FFFF0xE00000000xDFFFFFFF0xA00000000x9FFFFFFF0x600000000x5FFFFFFF0x400000000x3FFFFFFF0x200000000x1FFFFFFF0x00000000圖 2.8 Cortex-M3 存儲器映射圖片上外設(shè)對應(yīng) 512MB 的空間，芯片上所有與外圍設(shè)備相關(guān)的寄存器都位于該區(qū)域。這個區(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，用法與內(nèi)部 SRAM 區(qū)中的位帶相同。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

25、設(shè)區(qū)內(nèi)不允許執(zhí)行指令。通常半導(dǎo)體廠商就是修改此區(qū) 域的片上外設(shè)，來達(dá)到各具特色的、個性化的設(shè)備。還有兩個 1GB 的范圍，分別用于連接外部 RAM 和外部設(shè)備，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。最后還剩下 0.5GB 的隱秘地帶，包括了系統(tǒng)級組件，內(nèi)部私有外設(shè)總線，外部私有外設(shè)總線，以及 由提供者定義的系統(tǒng)外設(shè)。私有外設(shè)總線有兩條：AHB 私有外設(shè)總線，只用于 CM3 內(nèi)部的 AHB 外設(shè)，它們是：NVIC, FPB, DWT 和 ITM。APB 私有外設(shè)總線，既用于 CM3 內(nèi)部的 APB 設(shè)備，也用于外部設(shè)備（這里的“外部”是對內(nèi)核而言）

26、。 Cortex-M3 允許器件制造商再添加一些片上 APB 外設(shè)到 APB 私有總線上，它們通過 APB 接口來訪問。NVIC 所處的區(qū)域叫做“系統(tǒng)控制空間（SCS）”，在 SCS 里的除了 NVIC 外，還有 SysTick、MPU 以 及代碼調(diào)試控制所用的寄存器。最后，未用的提供商指定區(qū)也通過系統(tǒng)總線來訪問，但是不允許在其中執(zhí)行指令。2.4.2 位帶操作在Cotex-M3存儲器映射中包括兩個位操作區(qū)。分別位于SRAM和片上外設(shè)存儲區(qū)的最低1MB空間中。 這兩個位帶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)把每個比特膨脹成一個32位的字形成位地址

27、。當(dāng)你通過位帶別名區(qū)訪問這些字時，就可以達(dá)到訪問原 始比特的目的，其對應(yīng)關(guān)系如圖2.8所。位地址與位別名對應(yīng)關(guān)系統(tǒng)如下： 對于 SRAM 位帶區(qū)的某個位：Aliasaddr = 0x22000000+ (A - 0x20000000) ´ 8 + n) ´ 4= 0x22000000+ ( A - 0x20000000) ´ 32 + n ´ 4對于片上外設(shè)位帶區(qū)的某個位：Aliasaddr = 0x42000000+ (A - 0x40000000) ´ 8 + n) ´ 4= 0x42000000+ ( A - 0x4000000

28、0) ´ 32 + n ´ 4在上述表達(dá)式中，A 表示要操作的位所在的字節(jié)地址，n（0n7）表示位序號。0x23FFFFFC 0x23FFFFF8 0x23FFFFF4 0x23FFFFF0 0x23FFFFEC 0x23FFFFE8 0x23FFFFE4 0x23FFFFE0位帶別名區(qū)（共 32MB）0x2200001C 0x22000018 0x22000014 0x22000010 0x2200000C 0x22000008 0x22000004 0x220000007 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6

29、 5 4 3 2 1 00x200FFFFF0x200FFFFE0x200FFFFD0x200FFFFCSRAM 位帶區(qū)（共 1MB）7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 0 7 6 5 4 3 2 1 00x200000030x200000020x200000010x200000002.9 位操作對應(yīng)關(guān)系圖舉例：將地址 0x20000000 的第 2 位置 1。通過上述計算關(guān)系，可計算出位帶別名為 0x22000008。 如程序清單 L2.1 所示。程序清單 L2.1 SRAM 位操作實例 LDR R0,=0x22000008 LDR R

30、1,=0x01 STR R1,R0將片上外設(shè) I/O 端口的 A 口的第 0 位（也即 PORTA0）為輸出，其 A 口的方向寄存器地址為 0x40004400，設(shè)置 1 作為輸出，可根據(jù)上述關(guān)系計算出位帶別名為 0x42088000。如程序清單 L2.2 所示。程序清單 L2.2 片上外設(shè)位操作實例LDR R0，=0x42088000 LDR R1,=0x01STR R1,R0注：采用大端格式時，對位邦定別名區(qū)的訪問必須以字節(jié)方式，否則訪問不可預(yù)知。2.5 異常ARM Cortex-M3 中異常涉及異常的類型、優(yōu)先級、向量表等，本節(jié)并以 Luminary 系列微控制器為 例說明異常的具體行為

31、。2.5.1 異常類型在 Cortex-M3 中有 一個 與內(nèi) 核緊 耦 合部 件叫 嵌套向 量 中斷 控制 器（ NVIC， Nested Vectored Interrupt Controller）,定義了 16 種系統(tǒng)異常和 240 路外設(shè)中斷。通常芯片設(shè)計者可自由設(shè)計片上外設(shè)，因此具體的片上外設(shè)中斷都不會用到多達(dá) 240 路。如表 2.4 所示系統(tǒng)異常類型，表 2.5 所示為外設(shè) 中斷類型。Cortex-M3 中目前只有 11 種系統(tǒng)異?？捎梅謩e是：系統(tǒng)復(fù)位、NMI（不可屏蔽中斷）、硬件故障、 存儲器管理、總線故障、用法故障、SVCall（軟件中斷）、調(diào)試監(jiān)視器中斷、PendSV(系統(tǒng)

32、服務(wù)請求)、 SysTick（24 位定時器中斷）。240 路外設(shè)中斷，是指片上外設(shè)的各模塊，比如 I/O 口、UART 通信接口、 SSI 總線接口等所需的中斷。表 2.4 異常類型編號類型優(yōu)先級描述0-復(fù)位時載入向量表的第一項作為主堆棧棧頂?shù)刂贰?復(fù)位-3復(fù)位。2NMI-2不可屏蔽中斷（來自外部 NMI 輸入腳）。3硬故障-1當(dāng)故障由于優(yōu)先級或者是可配置的故障處理程序被禁止的原因 而無法激活時，所有類型故障都會以硬故障的方式激活。4存儲器管理可編程MPU 不匹配，包括訪問沖突和不匹配。5總線故障可編程預(yù)取指故障、存儲器訪問故障和其它地址/存儲器相關(guān)的故障。6用法故障可編程由于程序錯誤導(dǎo)致的

33、異常，通常是使用一條無效指令，或都是非 法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。7-10保留-保留11SVCall可編程執(zhí)行 SVC 指令的系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用。12調(diào)試監(jiān)視器可編程調(diào)試監(jiān)視器（斷點，數(shù)據(jù)觀察點，或是外部調(diào)試請求）13保留-14PendSV可編程系統(tǒng)服務(wù)的可觸發(fā)（pendable）請求。15SysTick可編程系統(tǒng)節(jié)拍定時器。表 2.5 中斷類型編號類型優(yōu)先級描述16IRQ#0可編程外設(shè)中斷#017IRQ#1可編程外設(shè)中斷#1255IRQ#239可編程外設(shè)中斷#2392.5.2 優(yōu)先級Cortex-M3 的異常功能非常強(qiáng)大，機(jī)制非常靈活，異?？梢酝ㄟ^占先、末尾連鎖和遲來等處理來降 低中斷的延遲。優(yōu)先級決定了處理

34、器何時以及怎樣處理異常。Cortex-M3 支持 3 個固定的高優(yōu)先級和多達(dá) 256 級的可編程優(yōu)先級，并且支持 128 級搶占，絕大多 數(shù)芯片都會精簡設(shè)計，實際中支持的優(yōu)先級數(shù)會更少，如 8 級、16 級、32 級等，通常的做法是裁掉表 達(dá)優(yōu)先級的幾個低端有效位（防止優(yōu)先級反轉(zhuǎn)），以減少優(yōu)先級的級數(shù)。比如 Luminary 的芯片采用 8 級優(yōu)先級。Cortex-M3 中 NVIC 支持由軟件指定的可配置的優(yōu)先級（稱為軟件優(yōu)先級），其寄存器地址為： 0xE000_E400-0xE000_E4EF。通過對中斷優(yōu)先級寄存器的 8 位 PRI_N 區(qū)執(zhí)行寫操作，來將中斷的優(yōu)先級 指定為 0-255

35、。硬件優(yōu)級隨著中斷中的增加而降低。0 優(yōu)先級最高，255 優(yōu)先級最低。指定軟件優(yōu)先級 后，硬件優(yōu)先級無效。例如：如果將 INTISR0指定為優(yōu)先級 1，INTISR31指定為優(yōu)先級 0，則 INTISR0 的優(yōu)先級比 INTISR31低。為了對具有大量中斷的系統(tǒng)加強(qiáng)優(yōu)先級控制，Cortex-M3 支持優(yōu)先級分組，通過 NVIC 控制，設(shè)置 為占先優(yōu)先級和次優(yōu)先級。可通過對應(yīng)用程序中斷及復(fù)位控制寄存器（AIRCR，地址為：0xE000_ED00） 的10:8位進(jìn)行設(shè)置。如果有多個激活異常共用相同的組優(yōu)先級，則使用次優(yōu)先級區(qū)來決定同組中的異 常優(yōu)先級，這就是同組內(nèi)的次優(yōu)先級。如表 2.6 應(yīng)用程序

36、中斷及復(fù)位控制寄存器，表 2.7 為占先優(yōu)先級 和次優(yōu)級的關(guān)系。表 26 應(yīng)用程序中斷及復(fù)位控制寄存器（AIRCR，地址：0xE000ED00）位段名稱類型復(fù)位值描述31:16VECTKEYRW-訪問鑰匙：任何對該寄存器的寫操作，都必須同時 把 0x05FA 寫入此段，否則寫操作被忽略。若讀取此半字，則讀回值為 0xFA05。15ENDIANESSR-指示端設(shè)置。1：大端，0：小端。10:8PRIGROUPR/W0優(yōu)先級分組2SYSRESETREQW-請求芯片控制邏輯產(chǎn)生一次復(fù)位1VECTCLRACTIVEW-清零所有異常的活動狀態(tài)信息。通常只在調(diào)試時 用，或都在 OS 從錯誤中恢復(fù)時用。0V

37、ECTRESETW-復(fù)位 Coretex-M3 微控制器內(nèi)核。表 2.7 搶占優(yōu)先級和次優(yōu)先級分組位置的關(guān)系分組位置表達(dá)搶占優(yōu)先級的位段表達(dá)亞優(yōu)先的位段07:10:017:21:027:32:037:43:047:54:057:65:067:76:07無7:0所有位注：表 2.7 顯示了利用優(yōu)先級的 8 個位來配置處理器優(yōu)先級。如果使用小于 8 的位來配置處理 器的優(yōu)先級，則寄存器的低位始終為 0，例如，如果使用 3 個位來配置優(yōu)先級，則 PRI_N7:5用來配置 優(yōu)先級，而 PRI_N4:0為 4b0000。2.5.3 中斷向量表當(dāng)發(fā)生了異常并且要響應(yīng)它時，Cortex-M3 需要定位其服務(wù)

38、例程的入口地址。這此入口地址存儲在 所謂“異常向量表”中。缺省情況下，Cortex-M3 認(rèn)為該表位于零地址處，且各向量占用 4 字節(jié)。因此 每個表項占用 4 字節(jié)，復(fù)位后的向量表如表 2.8 所列。表 2.8 復(fù)位后向量表地址異常編號值（32 位整數(shù)）0x0000_0000-MSP 的初始值0x0000_00041復(fù)位向量（PC 初始值）0x0000_00082NMI 服務(wù)例程的入口地址0x0000_000C3硬 fault 服務(wù)例程的入口地址其它異常服務(wù)例程的入口地址向量表中的第 1 個字為指向堆棧棧頂?shù)闹羔?，?fù)位時內(nèi)核讀取該地址的數(shù)據(jù)設(shè)置主堆棧。 向量表的基地址可以通過 NVIC 中的向

39、量偏移寄存器（0xE000ED08）來設(shè)置，如表 2.9 所示。從表中可以看出，可以將異常向量表放在 Code 區(qū)也可以將其放在 RAM 區(qū)，起始地址也可改變，起始地址是 有要求的：必須先求出系統(tǒng)中共有多少個向量，再把這個數(shù)字向上記到 2 的整次冪，而起始地址必須對齊到后者的邊界上。例如，如果一共有 32 個中斷，則共有 32+16（系統(tǒng)異常）=48 個向量，向上記到 2的整數(shù)次冪后值為 64，因此向量表重定位的地址必須能被 64 X 4=256 整除。表 2.9 向量偏移量寄存器（0xE000ED08）位段名稱類型復(fù)位值描述29TBLOFFR-向量表是在 Code 區(qū)（0），還是在 RAM

40、區(qū)（1）7-28TBLBASER/W0向量表的起始地址向量表中至少需要有 4 個值：棧頂?shù)刂罚粡?fù)位程序的位置；NMI 異常的位置；硬故障的異常的位置。 當(dāng)中斷使能時，不管向量表的位置在哪，它指向所有使能屏蔽的異常。并且如果使用 SVC 指令，還需要指定 SVCCall ISR 的位置。2.5.4 異常的進(jìn)入與退出1異常進(jìn)入入棧：當(dāng)處理器發(fā)生異常時，首先自動把 8 個寄存器（xPSR、PC、LR、R12、R3、R2、R1、R0）壓 入棧，處理器自動完成，在自動入棧的過程中，把寄存器寫入棧的時間順序，并不是寫入空間相對應(yīng)的， 但機(jī)器會保證正確的寄存器被保存到正確的位置，如圖 2.10 所示,假設(shè)入

41、棧，棧地址為 N。N-8N-4N-32N-28N-24N-20N-16N-12地址PCPSRR0R1R2R3R12LR數(shù)據(jù)時間2.10 內(nèi)部入棧示意圖取向量：發(fā)生異常，緊接著內(nèi)核將根據(jù)向量表找出正確的異常向量，然后在服務(wù)程序的入口處預(yù)取 指，處理器將取指與取數(shù)據(jù)分別能過總線控制，使入棧與取指這兩項工作能同時進(jìn)行，以便快速進(jìn)入中 斷。更新寄存器：入棧和取向量操作完成之后，在執(zhí)行服務(wù)程序之前，還必須更新一系列寄存器。 SP：在入棧后會把堆棧指針（PSP或MSP）更新到新的位置。在執(zhí)行服務(wù)例程時，將由MSP負(fù)責(zé)對堆棧的訪問。PSR：更新IPSR位段（地處PSR的最低部分）的值為新響應(yīng)的異常編號。 P

42、C：在取向量完成后，PC將指向服務(wù)例程的入口地址， LR：在出入ISR的時候，LR的值將得到重新的詮釋，這種特殊的值稱為“EXC_RETURN”，在異常進(jìn)入時由系統(tǒng)計算并賦給LR，并在異常返回時使用它。 以上是在響應(yīng)異常時通用寄存器及特殊功能寄存器的變化。另外在NVIC中，也會更新若干個相關(guān)寄存器。2異常退出當(dāng)異常服務(wù)程序最后一條指令將進(jìn)入異常時的 LR 的值加載到 PC 中。該操作指示中斷服務(wù)結(jié)束，在 從異常返回時處理器將執(zhí)行下列操作之一：如果激活異常的優(yōu)先級比所有被壓棧（等待處理）的異常的優(yōu)先級都高，則處理器會末尾連鎖到一 個激活異常。如果沒有激活異常，或者如果被壓棧的異常的最高優(yōu)先級比激

43、活異常的最高優(yōu)先級要高，則處理器 返回到上一個被壓棧的中斷服務(wù)程序。如果沒有激活的中斷或被壓棧的異常，則處理器返回線程模式。 在啟動了中斷返回序列后，下述的處理就將進(jìn)行： 出棧：先前壓入棧中的寄存器在這里恢復(fù)。內(nèi)部的出棧順序與入棧時的相對應(yīng)，堆棧指針的值也改回先前的值。更新NVIC寄存器：伴隨著異常的返回，它的活動位也被硬件清除。對于外部中斷，倘若中斷輸入再 次被置為有效，懸起位也將再次置位，新一次的中斷響應(yīng)序列也可隨之再次開始。異常返回值：異常返回值存放在LR中。這是一個高28位全為1的值，只有3:0的值有特殊含義，如 表2.10所示。當(dāng)異常服務(wù)例程把這個值送往PC時，就會啟動處理器的中斷返

44、回序列。因為LR的值是由 Cortex-M3自動設(shè)置的，所以只要沒有特殊需求，就不要改動它。表 2.10 EXC_RETURN 各位含義位段含義31:4EXC_RETURN的標(biāo)識：必須全為1。30=返回后進(jìn)入處理器模1=返回后進(jìn)入線程模式。20=從主堆棧中做出棧操作，返回后使用MSP 1=從進(jìn)程堆棧中做出棧操作，返回使用PSP。1保留，必須為0。00=返回ARM狀態(tài)1=返回Thumb狀態(tài)。Cortex-M3中必須為1。因此，上述表格中EXC_RETURN的值有三種情況： 0xFFFF_FFF1:返回處理器模式；0xFFFF_FFF9:返回線程模式，并使用主堆棧；0xFFFF_FFFD:返回線程

45、模式，并使用線程堆棧。 例如系統(tǒng)中使用了PendSV異常，服務(wù)程序結(jié)束時由處理模式返回到線程模式前使用進(jìn)程堆棧，如程序清單L2.3所示。程序清單 L2.3 異常返回類型實例OSPendSV；異常服務(wù)程序LDR LR,=0Xfffffffd；返回到線程模式進(jìn)程堆棧 BX LR2.5.5 Cortex-M3 異常處理機(jī)制1末尾連鎖末尾連鎖能夠在兩個中斷之間沒有多余的狀態(tài)保存和恢復(fù)指令的情況下實現(xiàn)異常背對背處理。如圖 2.11 所示。在退出 ISR 并進(jìn)入另一個中斷時，處理器省略了 8 個寄存器的出棧和入棧操作。如果當(dāng)前 掛起中斷的優(yōu)先級比所有被壓棧的異常的優(yōu)先級都高。則處理器執(zhí)行末尾連鎖機(jī)制。如果

46、掛起中斷的優(yōu) 先級比被壓棧的異常的最高優(yōu)先級都高，則省略壓棧和出棧操作，處理器立即取出掛起的中斷向量。在 退出前一個 ISR 之后，開始執(zhí)行被末尾連鎖的 ISR。用戶程序優(yōu)先級 3優(yōu)先級 2中斷 1壓棧中斷 2中斷 1中斷 2中斷 1 結(jié)束出棧圖 2.11 末尾連鎖示意圖2異常遲來在 Cortex-M3 中遲來中斷的意思是如果前一個 ISR 還沒有進(jìn)入執(zhí)行階段，并且遲來中斷的優(yōu)先級比 前一個中斷的優(yōu)先級要高，則遲來中斷能夠搶占前一個中斷。如圖 2.12 所示。用戶程序優(yōu)先級 3中斷 1優(yōu)先級 2中斷 2中斷 1中斷 2壓棧繼續(xù)壓棧 出棧圖 2.12 遲來異常示意圖響應(yīng)遲來中斷時需執(zhí)行新的取向量

47、地址和 ISR 預(yù)取操作。遲來中斷不保存狀，因為狀態(tài)保存已經(jīng)被 最初的中斷執(zhí)行過了，因此不需要重復(fù)執(zhí)行。2.5.6 嵌套向量中斷控制器嵌套向量中斷控制器，簡稱NVIC，完成對中斷的響應(yīng)。NVIC共支持1至240個外部中斷輸入（通常外 部中斷寫作IRQs）。具體的數(shù)值由芯片廠商在設(shè)計芯片時決定。NVIC的訪問地址是0xE000_E000。所有NVIC的中斷控制/狀態(tài)寄存器都只能在特權(quán)級下訪問。不過有 一個例外軟件觸發(fā)中斷寄存器可以在用戶級下訪問以產(chǎn)生軟件中斷。所有的中斷控制、狀態(tài)寄存器均可 按字、半字、字節(jié)的方式訪問。中斷配置內(nèi)容：u使能與禁止寄存器u掛起與解掛寄存器u優(yōu)先級寄存器u活動狀態(tài)寄存

48、器 另外，下列寄存器也對中斷處理有重大影響：u異常掩蔽寄存器u向量表偏移寄存器u軟件觸發(fā)中斷寄存器u優(yōu)先級分組寄存器Cortex-M3 中異常及中斷的行為如圖 2.13 所示。分成三級，由 NVIC 負(fù)責(zé)管理。第三級第二級第一級 中斷掛起NVIC_PEND中斷解掛 NVIC_CLRPEND外設(shè)中斷源中斷使能NVIC_EN中斷禁止 NVIC_DIS優(yōu)先級設(shè)置 NVIC_PRI激活位設(shè)置 NVIC_ACTIVEPRIMASK中斷控制及狀態(tài) 寄存器NVIC_INT_CTRL優(yōu)先級設(shè)置NVIC_SYS_PRI系統(tǒng)處理控制與狀態(tài) 寄存器 NVIC_SYS_HAND_CTRL內(nèi)核FLAUTMASK系統(tǒng)異常

49、源圖 2.13 異常和中斷控制示意圖1.中斷的使能與禁止此處的中斷使能與禁止，主要是針對片上外設(shè) 240 路中斷的控制，使能是向 SETENA 寄存器對應(yīng)位 寫“1”，禁止是向 CLRENA 寄存器對應(yīng)位寫“1”。如表 2.11 所示。表 2.11 SETENA/CLRENA 寄存器族名稱類型地址復(fù)位值描述SETENA0R/W0xE000_E1000中斷 0-31 的使能寄存，共 32 個使能位n,中斷#n 使能（異常號 16+n）SETENA1R/W0xE000_E1040中斷 32-63 使能寄存器，共 32 個使能位SETENA7R/W0xE000_E11C0中斷 224-239 使能寄存器，16 個使能位CL