【微处理器系统原理与应用设计第五讲】再探Cortex-M4处理器结构、总线、异常与中断、SysTick

news2025/1/16 18:41:19

一、处理器结构

如下图所示，主要包括处理器内核、嵌套向量中断控制器（NVIC）、系统节拍定时器（SysTick）以及可选的浮点单元，还有一些内部总线系统、可选的存储器保护单元（MPU）以及支持软件调试操作的一组部件。

（1）NVIC是异常/中断处理的内置中断控制器。常规的处理器的系统异常由MPU内部控制，而外部中断由中断控制器控制。为了提高处理器的响应速度和方便处理，Cortex-M4将中断与系统异常处理合在了一起形成了NVIC。

（2）SysTick主要用于产生周期性的操作系统中断，与NVIC和处理器紧耦合，可以加快操作系统的进程或者任务切换速率。

二、处理器总线

1. Cortex-M4处理器内核采用两条总线，即指令访问总线和数据访问总线，再经过内部总线连接产生5个总线，即：

（1）程序指令总线（I-Bus）：程序存储器中指令和向量的读取

（2）程序数据总线（D-Bus）：程序存储器中的数据读取和调试访问

（3）系统总线（S-Bus）：用于访问RAM和外设

（4）私有外设总线（PPB）：只能用来访问内部私有外设和外部调试部件，不能用于其他外设

（5）调试访问端口（DAP）：调试接口模块产生到任意存储器位置的调试访问操作

2. 以上总线都采用基于AMBA（高级微控制器总线架构）的总线接口设计，特点如下：

（1）AHB（AMBA高性能总线）Lite协议用于存储器和系统总线流水线操作。

（2）APB（高级外设总线）协议用于外部设备和调试部件的访问操作。外设分为内部私有外设（NVIC、SysTick、MPU等系统部件）、外部调试部件和通用外设、外设采用APB总线通过总线桥部件连接到系统总线上。

（3）代码存储区域采用专用的总线接口，独立于系统总线，使得数据的访问和取指可以并行进行、。这种分离的总线机构还可以加快中断响应，在中断处理期间，栈访问和读取程序映像中的向量表同时进行。

3. 在简单的微处理器设计中，程序存储器一般都会被连接到I-Bus和D-Bus总线，而SRAM和外设会被连接到系统总线。

普通外设一般采用APB（高级外设总线）协议。但是高性能外设可以使用AHB（AMBA高性能总线）Lite协议以提高带宽和运行速度。PPB不能用于普通外设。

程序存储器的访问具有两个总线（I-Bus和D-Bus）接口，分别用于取指和取数，在设计中可以使用一个简单的总线复用部件将这两个总线合并，利用这两个接口可以实现FLASH的访问加速。

三、系统异常与中断

系统异常和中断主要是由两个部件来控制和管理：一个是系统控制模块（SCB），主要配置系统异常；另一个是NVIC，主要配置外部中断和管理所有异常操作。

NVIC可以配置带有256个优先级、8级抢占优先权的中断。它可以处理多个中断请求（IRQ Interrupt Request）和一个不可屏蔽中断（NMI）请求。IRQ一般由片上外设或者外部中断输入产生，NMI可以用于掉电检测。

每个异常都有一个优先级，当新的异常优先级较高时，那么当前正在执行的任务就会暂停，有些寄存器会被保存在栈空间中，而微处理器开始执行新的异常的处理，这个过程称为抢占。当更高的优先级的异常处理完后，就会异常返回，微处理器自动从栈中恢复寄存器内容，并且继续执行之前的任务。最高的优先级为系统复位，值为-3，其次为掉电检测（NMI），值为-2；再次为硬故障，值为-1。