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STM32的這些經典功能，你真的掌握了嗎？ Cortex-M3芯片簡介 1、關于ARMv7的知識了解 在這個版本中，內核架構首次從單一款式變成3種款式。 款式A：設計用于高性能的“開放應用平臺”——越來越接近電腦了 。 款式R：用于高端的嵌入式系統，尤其是那些帶有實時要求的——又要快又要實時。 款式M：用于深度嵌入的，單片機風格的系統中。 介紹A:用于高性能的“開放應用平臺”，應用在那些需要運行復雜應用程序的處理器。支持大型嵌入式操作系統。 R:用于高端的嵌入式系統，要求實時性的。 M:用于深度嵌入的、單片機風格的系統中。 2、Cortex-M3處理器的舞臺 高性能+高代碼密度+小硅片面積，使得CM3大面積地成為理想的處理平臺，主要應用在以下領域： （1）低成本單片機 （2）汽車電子 （3）數據通信 （4）工業控制 （5）消費類電子產品 3、Cortex-M3概覽 （1）簡介 Cortex-M3是一個 32位處理器內核。內部的數據路徑是 32位的，寄存器是 32位的，存儲器接口也是 32 位的。CM3 采用了哈佛結構，擁有獨立的指令總線和數據總線，可以讓取指與數據訪問并行不悖。這樣一來數據訪問不再占用指令總線，從而提升了性能。為實現這個特性， CM3內部含有好幾條總線接口，每條都為自己的應用場合優化過，并且它們可以并行工作。但是另一方面，指令總線和數據總線共享同一個存儲器空間（一個統一的存儲器系統） 比較復雜的應用可能需要更多的存儲系統功能，為此CM3提供一個可選的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）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，但是同一時刻只能有一個可以看到，這就是所謂的“banked”寄存器。 a、R0-R12都是 32位通用寄存器，用于數據操作。但是注意：絕大多數 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擁有兩個堆棧指針，然而它們是 banked，因此任一時刻只能使用其中的一個。 主堆棧指針（MSP）：復位后缺省使用的堆棧指針，用于操作系統內核以及異常處理例程（包括中斷服務例程） 進程堆棧指針（PSP）：由用戶的應用程序代碼使用。 ---堆棧指針的最低兩位永遠是0，這意味著堆�？偸�4字節對齊的。--- c、R14：連接寄存器--當呼叫一個子程序時，由R14存儲返回地址 d、R15：程序計數寄存器--指向當前的程序地址，如果修改它的值，就能改變程序的執行流（這里有很多高級技巧） e、Cortex-M3還在內核水平上搭載了若干特殊功能寄存器，包括： 程序狀態字寄存器組（PSRs） 中斷屏蔽寄存器組（PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI） 控制寄存器（CONTROL） Cortex-M3處理器支持兩種處理器的操作模式，還支持兩級特權操作。 兩種操作模式分別為：處理者模式和線程模式（thread mode）。引入兩個模式的本意，是用于區別普通應用程序的代碼和異常服務例程的代碼——包括中斷服務例程的代碼。 Cortex-M3 的另一個側面則是特權的分級——特權級和用戶級。這可以提供一種存儲器訪問的保護機制，使得普通的用戶程序代碼不能意外地，甚至是惡意地執行涉及到要害的操作。處理器支持兩種特權級，這也是一個基本的安全模型。 在 CM3 運行主應用程序時（線程模式），既可以使用特權級，也可以使用用戶級；但是異常服務例程必須在特權級下執行。復位后，處理器默認進入線程模式，特權極訪問。在特權級下，程序可以訪問所有范圍的存儲器（如果有 MPU，還要 在MPU規定的禁地之外），并且可以執行所有指令。 在特權級下的程序可以為所欲為，但也可能會把自己給玩進去——切換到用戶級。一旦進入用戶級，再想回來就得走“法律程序”了——用戶級的程序不能簡簡單單地試圖改寫 CONTROL寄存器就回到特權級，它必須先“申訴”：執行一條系統調用指令(SVC)。這會觸發SVC異常，然后由異常服務例程（通常是操作系統的一部分）接管，如果批準了進入，則異常服務例程修改 CONTROL寄存器，才能在用戶級的線程模式下重新進入特權級。 事實上，從用戶級到特權級的唯一途徑就是異常：如果在程序執行過程中觸發了一個異常，處理器總是先切換入特權級，并且在異常服務例程執行完畢退出時，返回先前的狀態。 通過引入特權級和用戶級，就能夠在硬件水平上限制某些不受信任的或者還沒有調試好的程序，不讓它們隨便地配置涉及要害的寄存器，因而系統的可靠性得到了提高。進一步地，如果配了 MPU，它還可以作為特權機制的補充——保護關鍵的存儲區域不被破壞，這些區域通常是操作系統的區域。 (4)內建的嵌套向量中斷控制器 Cortex-M3 在內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)。它與內核有很深的“親密接觸”——與內核是緊耦合的。 NVIC提供如下的功能： 可嵌套中斷支持 向量中斷支持 動態優先級調整支持 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系統異常。外在表現是，這些異常都可以被賦予不同的優先級。當前優先級被存儲在 xPSR 的專用字段中。當一個異常發生時，硬件會自動比較該異常的優先級是否比當前的異常優先級更高。如果發現來了更高優先級的異常，處理器就會中斷當前的中斷服務例程（或者是普通程序），而服務新來的異�！戳⒓磽屨�。 向量中斷支持： 當開始響應一個中斷后，CM3會自動定位一張向量表，并且根據中斷號從表中找出 ISR的入口地址，然后跳轉過去執行。不需要像以前的 ARM那樣，由軟件來分辨到底是哪個中斷發生了，也無需半導體廠商提供私有的中斷控制器來完成這種工作。這么一來，中斷延遲時間大為縮短。 （5）總線接口 Cortex-M3內部有若干個總線接口，以使 CM3能同時取址和訪內（訪問內存），它們是： 指令存儲區總線（兩條） 系統總線 私有外設總線 有兩條代碼存儲區總線負責對代碼存儲區的訪問，分別是 I-Code 總線和 D-Code 總線。前者用于取指，后者用于查表等操作，它們按最佳執行速度進行優化。 系統總線用于訪問內存和外設，覆蓋的區域包括 SRAM，片上外設，片外 RAM，片外擴展設備，以及系統級存儲區的部分空間。 私有外設總線負責一部分私有外設的訪問，主要就是訪問調試組件。它們也在系統級存儲區。 （6）存儲器保護單元（MPU） Cortex-M3有一個可選的存儲器保護單元。配上它之后，就可以對特權級訪問和用戶級訪問分別施加不同的訪問限制。當檢測到犯規（violated）時，MPU 就會產生一個 fault 異常，可以由fault異常的服務例程來分析該錯誤，并且在可能時改正它。 MPU 有很多玩法。最常見的就是由操作系統使用 MPU，以使特權級代碼的數據，包括操作系統本身的數據不被其它用戶程序弄壞。MPU在保護內存時是按區管理的。它可以把某些內存 region設置成只讀，從而避免了那里的內容意外被更改；還可以在多任務系統中把不同任務之間的數據區隔離。一句話，它會使嵌入式系統變得更加健壯，更加可靠（很多行業標準，尤其是航空的，就規定了必須使用 MPU來行使保護職能——譯 注） 。 （7）Cortex-M3的簡評 1、高性能 許多指令都是單周期的——包括乘法相關指令。并且從整體性能上，Cortex-M3比得過絕大多數其它的架構。 指令總線和數據總線被分開，取值和訪內可以并行不悖 。 Thumb-2的到來告別了狀態切換的舊世代，再也不需要花時間來切換于 32位 ARM狀態和16位Thumb狀態之間了。這簡化了軟件開發和代碼維護，使產品面市更快。 Thumb-2指令集為編程帶來了更多的靈活性。許多數據操作現在能用更短的代碼搞定，這意味著 Cortex-M3的代碼密度更高，也就對存儲器的需求更少。 取指都按 32位處理。同一周期最多可以取出兩條指令，留下了更多的帶寬給數據傳輸。 Cortex-M3的設計允許單片機高頻運行（現代半導體制造技術能保證 100MHz以上的速度）即使在相同的速度下運行，CM3的每指令周期數(CPI)也更低，于是同樣的 MHz下可以做更多的工作；另一方面，也使同一個應用在 CM3上需要更低的主頻。 2、先進的中斷處理功能 內建的嵌套向量中斷控制器支持240條外部中斷輸入。向量化的中斷功能大大減少了中斷延遲，因為不在需要軟件去判斷中斷源。中斷的嵌套也是在硬件水平上實現的，不需要軟件代碼來實現。 Cortex-M3在進入異常服務例程時，自動壓棧了 R0-R3, R12, LR, PSR 和PC，并且在返回時自動彈出它們，這多清爽！既加速了中斷的響應，也再不需要匯編語言代碼了 NVIC支持對每一路中斷設置不同的優先級，使得中斷管理極富彈性。最粗線條的實現也至少要支持 8級優先級，而且還能動態地被修改。 優化中斷響應還有兩招，它們分別是“咬尾中斷機制”和“晚到中斷機制”。 有些需要較多周期才能執行完的指令，是可以被中斷－繼續的——就好比它們是一串指令一樣。這些指令包括加載多個寄存器（LDM），存儲多個寄存器（STM），多個寄存器參與的PUSH，以及多個寄存器參與的 POP。 除非系統被徹底地鎖定，NMI（不可屏蔽中斷）會在收到請求的第一時間予以響應。對很多安全-關鍵(safety-critical)的應用，NMI都是必不可少的（如化學反應即將失控時的緊急停機）。 通過上面我們可以很容易理解STM32的一些基本知識和結構，為學習STM32打好了基礎。 |
