浅析ARM Contex-CM3内核架构

概述

1. Cortex-M3类型MCU

1.1 MCU 架构

1.2 实时性系统概念

1.3 处理器命名法

1.4 MCU的一些知识

2. Cortex-M3 概览

2.1 Cortex-M3综述

2.2 寄存器组

2.3 操作模式和特权极别

2.4 内建的嵌套向量中断控制器

2.5 存储器映射

2.6 总线接口

2.7 存储器保护单元（ MPU）

2.8 指令集

2.9 中断和异常

2.10 低功耗与高能效

2.11 调试支持

3 Contex-M3基础

3.1 寄存器组

3.2 操作模式

3.3 栈内存操作

3.4 Cortex-M3 的堆栈实现

3.8 复位序列

4. 存储器系统

5. 详细的框图

概述

本文主要介绍ARM Contex-CM3相关的知识，包括内核架构，寄存器组，和指令集等内容。

1. Cortex-M3类型MCU

1.1 MCU 架构

历史：

ARMv4T架构: ARM7TDMI（T表示支持“Thumb指令”）
ARMv5TE架构: ARM9E处理器 , ARM9E家族成员包括ARM926E-S和ARM946E-S ，

特点： ARMv5TE架构添加了“服务于多媒体应用增强的DSP指令”
ARMv6架构： ARM1136J(F)-S， ARM1156T2(F)-S，以及 ARM1176JZ(F)-S

特点： 1）单指令流多数据流（SIMD）指令也是从v6开始首次引入的；2）优化Thumb-2指令集
ARMv7架构：

类型	描述
款式A	设计用于高性能的“开放应用平台”——越来越接近电脑，特点：支持大型嵌入式操作系统
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。特点：硬实时且高性能的处理器。标的是高端实时
款式M	用于深度嵌入的，单片机风格的系统中。认准了旧世代单片机的应用而量身定制。在这些应用中，尤其是对于实时控制系统，低成本、低功耗、极速中断反应以及高处理效率，都是至关重要的。

ARM处理器架构进化史

1.2 实时性系统概念

从定义的角度讲，“实时”就是指系统必须在给定的死线（deadline，亦称作“最后期限” ）内做出响应。在一个以ARM处理器为核心的系统中，决定能否达到“实时”这个目标的，有很多因素，主要如下：

1）中断延迟

2）存储器延时

3）当时处理器是否在运行更高优先级的中断服务例程

1.3 处理器命名法

一个demo：

1.4 MCU的一些知识

1. MMU（储器管理单元）

用于实现虚拟内存和内存的分区保护，这是应用处理器与嵌入式处理器的分水岭。电脑和数码产品所使用的处理器几乎清一色地都带MMU。但是MMU也引入了不确定性，这有时是嵌入式领域——尤其是实时系统不可接受的。然而对于安全关键（safety-critical）的嵌入式系统，还是不能没有内存的分区保护的。为解决矛盾，于是就有了MPU。可以把MPU认为是MMU的功能子集，它只支持分区保护，不支持具有“定位决定性”的虚拟内存机制。

2. 指令集

ARM处理器一直支持两种形式上相对独立的指令集，在程序的执行过程中，处理器可以动态地在两种执行状态之中切换。Thumb指令集在功能上是ARM指令集的一个子集它们分别是：

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

3. Thumb-2 指令集体系体系结构

Thumb-2是16位Thumb指令集的一个超集，在Thumb-2中， 16位指令首次与32位指令并存，结果在Thumb状态下可以做的事情一下子丰富了许多，同样工作需要的指令周期数也明显下降。

2. Cortex-M3 概览

2.1 Cortex-M3综述

Cortex-M3 是一个 32 位处理器内核。内部的数据路径是 32 位的，寄存器是 32 位的，存储器接口也是 32 位的。 CM3 采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖。这样一来数据访问不再占用指令总线，从而提升了性能。为实现这个特性， CM3 内部含有好几条总线接口，每条都为自己的应用场合优化过，并且它们可以并行工作。但是另一方面，指令总线和数据总线共享同一个存储器空间（一个统一的存储器系统）。换句话说，不是因为有两条总线，可寻址空间就变成 8GB 了。

特点：

Cortex-M3 是 32 位处理器内核，其内部路径和寄存器都是32位
采用哈佛结构：拥有独立的指令总线和数据总线
支持大端和小端模式

2.2 寄存器组

Cortex-M3 处理器拥有 R0-R15 的寄存器组。其中 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，这也就是所谓的“banked”寄存器。

R0-R12 通用寄存器

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。

Banked 和 R13: 两个堆栈指针

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。

参数名称	描述
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）
进程堆栈指针（PSP）	由用户的应用程序代码使用

R14连接寄存器

当呼叫一个子程序时，由 R14 存储返回地址

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

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，包括： 1）程序状态字寄存器组（PSRs） 2）中断屏蔽寄存器组（PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI） 3）控制寄存器（CONTROL）

寄存器及其功能

2.3 操作模式和特权极别

Cortex-M3 处理器支持两种处理器的操作模式，还支持两级特权操作。

处理器的操作模式: 处理者模式和线程模式

特权操作：特权级和用户级

注意点：

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。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。

2.4 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：

1）可嵌套中断支持

2）向量中断支持

3）动态优先级调整支持

4）中断延迟大大缩短

5）中断可屏蔽

可嵌套中断支持

当一个异常发生时，硬件会自动比较该异常的优先级是否比当前的异常优先级更高。如果发现来了更高优先级的异常，处理器就会中断当前的中断服务例程（或者是普通程序），而服务新来的异常——即立即抢占

向量中断支持

当开始响应一个中断后， CM3 会自动定位一张向量表，并且根据中断号从表中找出 ISR 的入口地址，然后跳转过去执行。不需要像以前的 ARM 那样，由软件来分辨到底是哪个中断发生了，也无需半导体厂商提供私有的中断控制器来完成这种工作。这么一来，中断延迟时间大为缩短。

动态优先级调整支持

软件可以在运行时期更改中断的优先级。如果在某ISR中修改了自己所对应中断的优先级，而且这个中断又有新的实例处于悬起中（pending），也不会自己打断自己，从而没有重入(reentry)风险

所谓的重入：就是指某段子程序还没有执行完，就因为中断或者是多任务操作系统的调度原因，导致该子程序在一个新的寄存器上下文中被执行（请不要把重入与递归混淆，它们有本质的区别）。这种情况常常会闹乱子，因此有“可重入性”的研究。

中断延迟大大缩短

Cortex-M3 为了缩短中断延迟，引入了好几个新特性。包括自动的现场保护和恢复，以及其它的措施，用于缩短中断嵌套时的 ISR 间延迟。详情请见后面关于“咬尾中断”和“晚到中断”的讲述。

中断可屏蔽

既可以屏蔽优先级低于某个阈值的中断/异常［译注 8］(设置BASEPRI寄存器)，也可以全体封杀(设置PRIMASK和FAULTMASK寄存器)。这是为了让时间关键（ time-critical）的任务能在死线 (deadline，或曰最后期限)到来前完成，而不被干扰。

2.5 存储器映射

2.6 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：  指令存储区总线（两条）  系统总线  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。

2.7 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。

MPU作用：

（1）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。

（2） MPU 在保护内存时是按区管理的

（3）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。

2.8 指令集

Cortex-M3 只使用 Thumb-2 指令集，同时兼容 32 位指令和 16 位指令

2.9 中断和异常

CM3 的所有中断机制都由 NVIC 实现。除了支持 240 条中断之外， NVIC 还支持 16-4-1=11 个内部异常源，可以实现 fault 管理机制。结果， CM3 就有了 256 个预定义的异常类型。

2.10 低功耗与高能效

节能模式上，它提供： 睡眠模式和深度睡眠模式
精简电路设计
程序密度高，节约执行时间

2.11 调试支持

Cortex-M3 在内核水平上搭载了若干种调试相关的特性。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。

此外， CM3 还能挂载一个所谓的“嵌入式跟踪宏单元（ETM）”。 ETM 可以不断地发出跟踪信息，这些信息通过一个被称为“跟踪端口接口单元（TPIU）”的模块而送到内核的外部，再在芯片外面使用一个“跟踪信息分析仪”，就可以把 TIPU 输出的“已执行指令信息”捕捉到，并且送给调试主机——也就是 PC。

3 Contex-M3基础

3.1 寄存器组

CM3 拥有通用寄存器 R0-R15 以及一些特殊功能寄存器。 R0-R12 是最“通用目的”的，但是绝大多数的 16 位指令只能使用 R0-R7（低组寄存器），而 32 位的 Thumb-2 指令则可以访问所有通用寄存器。特殊功能寄存器有预定义的功能，而且必须通过专用的指令来访问。

特殊功能寄存器：

堆栈指针 R13

R13 是堆栈指针。在 CM3 处理器内核中共有两个堆栈指针，于是也就支持两个堆栈。当引用 R13（或写作 SP）时，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）。这两个堆栈指针分别是：

主堆栈指针（ MSP）：或写作 SP_main。这是缺省的堆栈指针，它由 OS 内核、异常服务例程以及所有需要特权访问的应用程序代码来使用。

进程堆栈指针（ PSP）：或写作 SP_process。用于常规的应用程序代码（不处于异常服用例程中时）。

连接寄存器 R14

R14 是连接寄存器（LR）。在一个汇编程序中，你可以把它写作 both LR 和 R14。

作用： LR 用于在调用子程序时存储返回地址。

程序计数器 R15

R15 是程序计数器，在汇编代码中一般我们都都叫它的外号“PC”。因为 CM3 内部使用了指令流水线，读 PC 时返回的值是当前指令的地址+4。

3.2 操作模式

Cortex-M3 支持 2 个模式和两个特权等级：

当 CONTROL[0]=0 时，在异常处理的始末，只发生了处理器模式的转换，如下图所示：

若 CONTROL[0]=1（线程模式+用户级），则在中断响应的始末，处理器模式和特权等极都要发生变化，如下图所示：

3.3 栈内存操作

堆栈操作就是对内存的读写操作，但是访问地址由 SP 给出。寄存器的数据通过 PUSH操作存入堆栈，以后用 POP 操作从堆栈中取回。在 PUSH 与 POP 的操作中， SP 的值会按堆栈的使用法则自动调整，以保证后续的 PUSH 不会破坏先前 PUSH 进去的内容。

3.4 Cortex-M3 的堆栈实现

Cortex-M3 使用的是“向下生长的满栈”模型。堆栈指针 SP 指向最后一个被压入堆栈的 32 位数值。在下一次压栈时， SP 先自减 4，再存入新的数值。

在进入 ESR 时， CM3 会自动把一些寄存器压栈，这里使用的是发生本异常的瞬间正在使用的 SP指针（MSP 或者是 PSP）。离开 ESR 后，只要 ESR 没有更改过 CONTROL[1]，就依然使用发生本次异常的瞬间正在使用的 SP 指针来执行出栈操作。

CM3 的堆栈是分为两个：主堆栈和进程堆栈， CONTROL[1]决定如何选择。

当 CONTROL[1]=0 时，只使用 MSP，此时用户程序和异常 handler 共享同一个堆栈。这也是复位后的缺省使用方式。

当 CONTROL[1]=1 时，线程模式将不再使用 MSP，而改用 PSP（handler 模式永远使用 MSP）。在特权级下，可以指定具体的堆栈指针，而不受当前使用堆栈的限制，示例代码如下： MRS R0, MSP ; 读取主堆栈指针到 R0 MSR MSP, R0 ; 写 R0 的值到主堆栈中 MRS R0, PSP ; 读取进程堆栈指针到 R0 MSR PSP, R0 ; 写 R0 的值到进程堆栈中通过读取 PSP 的值， OS 就能够获取用户应用程序使用的堆栈，进一步地就知道了在发生异常时，被压入寄存器的内容，而且还可以把其它寄存器进一步压栈（使用 STMDB 和 LDMIA 的书写形式）。OS 还可以修改 PSP，用于实现多任务中的任务上下文切换。

3.8 复位序列

在离开复位状态后， CM3 做的第一件事就是读取下列两个 32 位整数的值：

1）从地址 0x0000,0000 处取出 MSP 的初始值。

2）从地址 0x0000,0004 处取出 PC 的初始值——这个值是复位向量， LSB 必须是 1。然后从这个值所对应的地址处取指。

请注意，这与传统的 ARM 架构不同——其实也和绝大多数的其它单片机不同。传统的 ARM 架构总是从 0 地址开始执行第一条指令。它们的 0 地址处总是一条跳转指令。在 CM3 中，在 0 地址处提供 MSP 的初始值，然后紧跟着就是向量表（向量表在以后还可以被移至其它位置——译注）。向量表中的数值是 32 位的地址，而不是跳转指令。向量表的第一个条目指向复位后应执行的第一条指令。

4. 存储器系统

当使用位带功能时，要访问的变量必须用 volatile 来定义。因为 C 编译器并不知道同一个比特可以有两个地址。所以就要通过 volatile，使得编译器每次都如实地把新数值写入存储器，而不再会出于优化的考虑，在中途使用寄存器来操作数据的复本，直到最后才把复本写回——这会导致按不同的方式访问同一个位会得到不一致的结果