純干貨|最經(jīng)典的STM32-M3概述！

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4、Cortex-M3概覽

（1）簡介     

Cortex-M3是一個(gè) 32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是 32位的，寄存器是 32位的，存儲(chǔ)器接口也是 32 位的。CM3 采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖。這樣一來數(shù)據(jù)訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)特性， CM3內(nèi)部含有好幾條總線接口，每條都為自己的應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)化過，并且它們可以并行工作。但是另一方面，指令總線和數(shù)據(jù)總線共享同一個(gè)存儲(chǔ)器空間（一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)器系統(tǒng)）。     

比較復(fù)雜的應(yīng)用可能需要更多的存儲(chǔ)系統(tǒng)功能，為此CM3提供一個(gè)可選的MPU，而且在需要的情況下也可以使用外部的 cache。另外在CM3中，Both小端模式和大端模式都是支持的。

（2）Cortex-M3的簡化圖

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（3）寄存器組

處理器擁有R0-R15的寄存器組，其中R13最為堆棧指針SP,SP有兩個(gè)，但是同一時(shí)刻只能有一個(gè)可以看到，這就是所謂的“banked”寄存器。

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a、R0-R12都是 32位通用寄存器，用于數(shù)據(jù)操作。但是注意：絕大多數(shù) 16位Thumb指令只能訪問R0-R7，而 32位 Thumb-2指令可以訪問所有寄存器。  

b、Cortex-M3擁有兩個(gè)堆棧指針，然而它們是 banked，因此任一時(shí)刻只能使用其中的一個(gè)。

主堆棧指針（MSP）：復(fù)位后缺省使用的堆棧指針，用于操作系統(tǒng)內(nèi)核以及異常處理例程（包括中斷服務(wù)例程）

進(jìn)程堆棧指針（PSP）：由用戶的應(yīng)用程序代碼使用。

堆棧指針的最低兩位永遠(yuǎn)是0，這意味著堆棧總是4字節(jié)對(duì)齊的。

c、R14：連接寄存器--當(dāng)呼叫一個(gè)子程序時(shí)，由R14存儲(chǔ)返回地址

d、R15：程序計(jì)數(shù)寄存器--指向當(dāng)前的程序地址，如果修改它的值，就能改變程序的執(zhí)行流（這里有很多高級(jí)技巧）

e、Cortex-M3還在內(nèi)核水平上搭載了若干特殊功能寄存器，包括

程序狀態(tài)字寄存器組（PSRs）

中斷屏蔽寄存器組（PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI）

控制寄存器（CONTROL）

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Cortex-M3處理器支持兩種處理器的操作模式，還支持兩級(jí)特權(quán)操作。

      

兩種操作模式分別為：處理者模式和線程模式（thread mode）。引入兩個(gè)模式的本意，是用于區(qū)別普通應(yīng)用程序的代碼和異常服務(wù)例程的代碼——包括中斷服務(wù)例程的代碼。

Cortex-M3 的另一個(gè)側(cè)面則是特權(quán)的分級(jí)——特權(quán)級(jí)和用戶級(jí)。這可以提供一種存儲(chǔ)器訪問的保護(hù)機(jī)制，使得普通的用戶程序代碼不能意外地，甚至是惡意地執(zhí)行涉及到要害的操作。處理器支持兩種特權(quán)級(jí)，這也是一個(gè)基本的安全模型。

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在 CM3 運(yùn)行主應(yīng)用程序時(shí)（線程模式），既可以使用特權(quán)級(jí)，也可以使用用戶級(jí)；但是異常服務(wù)例程必須在特權(quán)級(jí)下執(zhí)行。復(fù)位后，處理器默認(rèn)進(jìn)入線程模式，特權(quán)極訪問。在特權(quán)級(jí)下，程序可以訪問所有范圍的存儲(chǔ)器（如果有 MPU，還要 在MPU規(guī)定的禁地之外），并且可以執(zhí)行所有指令。

在特權(quán)級(jí)下的程序可以為所欲為，但也可能會(huì)把自己給玩進(jìn)去——切換到用戶級(jí)。一旦進(jìn)入用戶級(jí)，再想回來就得走“法律程序”了——用戶級(jí)的程序不能簡簡單單地試圖改寫 CONTROL寄存器就回到特權(quán)級(jí)，它必須先“申訴”：執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用指令(SVC)。這會(huì)觸發(fā)SVC異常，然后由異常服務(wù)例程（通常是操作系統(tǒng)的一部分）接管，如果批準(zhǔn)了進(jìn)入，則異常服務(wù)例程修改 CONTROL寄存器，才能在用戶級(jí)的線程模式下重新進(jìn)入特權(quán)級(jí)。信盈達(dá)，扣扣：一以七捂捂吧就領(lǐng)久要！

        

事實(shí)上，從用戶級(jí)到特權(quán)級(jí)的唯一途徑就是異常：如果在程序執(zhí)行過程中觸發(fā)了一個(gè)異常，處理器總是先切換入特權(quán)級(jí)，并且在異常服務(wù)例程執(zhí)行完畢退出時(shí)，返回先前的狀態(tài)。

通過引入特權(quán)級(jí)和用戶級(jí)，就能夠在硬件水平上限制某些不受信任的或者還沒有調(diào)試好的程序，不讓它們隨便地配置涉及要害的寄存器，因而系統(tǒng)的可靠性得到了提高。進(jìn)一步地，如果配了 MPU，它還可以作為特權(quán)機(jī)制的補(bǔ)充——保護(hù)關(guān)鍵的存儲(chǔ)區(qū)域不被破壞，這些區(qū)域通常是操作系統(tǒng)的區(qū)域。

(4)內(nèi)建的嵌套向量中斷控制器

Cortex-M3 在內(nèi)核水平上搭載了一顆中斷控制器——嵌套向量中斷控制器 NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。它與內(nèi)核有很深的“親密接觸”——與內(nèi)核是緊耦合的。

NVIC提供如下的功能：

·   可嵌套中斷支持

·   向量中斷支持

·   動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)整支持

·   中斷延遲大大縮短

·   中斷可屏蔽

可嵌套中斷支持：  可嵌套中斷支持的作用范圍很廣，覆蓋了所有的外部中斷和絕大多數(shù)系統(tǒng)異常。外在表現(xiàn)是，這些異常都可以被賦予不同的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)前優(yōu)先級(jí)被存儲(chǔ)在 xPSR 的專用字段中。當(dāng)一個(gè)異常發(fā)生時(shí)，硬件會(huì)自動(dòng)比較該異常的優(yōu)先級(jí)是否比當(dāng)前的異常優(yōu)先級(jí)更高。如果發(fā)現(xiàn)來了更高優(yōu)先級(jí)的異常，處理器就會(huì)中斷當(dāng)前的中斷服務(wù)例程（或者是普通程序），而服務(wù)新來的異常——即立即搶占。

向量中斷支持：  當(dāng)開始響應(yīng)一個(gè)中斷后，CM3會(huì)自動(dòng)定位一張向量表，并且根據(jù)中斷號(hào)從表中找出 ISR的入口地址，然后跳轉(zhuǎn)過去執(zhí)行。不需要像以前的 ARM那樣，由軟件來分辨到底是哪個(gè)中斷發(fā)生了，也無需半導(dǎo)體廠商提供私有的中斷控制器來完成這種工作。這么一來，中斷延遲時(shí)間大為縮短。