首先，在學(xué)習(xí)Cortex-M3時，我們必須要知道必要的縮略語。

整理如下：

AMBA:先進單片機總線架構(gòu) ADK:AMBA設(shè)計套件

AHB：先進高性能總線 AHB-AP：AHB訪問端口

APB：先進外設(shè)總線 ARM ARM：ARM架構(gòu)參考手冊

ASIC：行業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ?a target="_blank">集成電路 ATB ：先進跟蹤總線

BE8：字節(jié)不變式大端模式 CPI：每條指令的周期數(shù)

DAP：調(diào)試訪問端口 DSP：數(shù)字信號處理（器）

DWT：數(shù)據(jù)觀察點及跟蹤 ETM：嵌入式跟蹤宏單元

FPB：閃存地址重載及斷點 FSR：fault狀態(tài)寄存器

HTM：Core Sight AHB跟蹤宏單元

ICE：在線仿真器 IDE：集成開發(fā)環(huán)境

IRQ：中斷請求（通常是外中斷請求）

ISA：指令系統(tǒng)架構(gòu) ISR：中斷服務(wù)例程

ITM：儀器化跟蹤宏單元

JTAG：連接點測試行動組（一個關(guān)于測試和調(diào)試接口的標準）

LR：連接寄存器

LSB：最低有效位

MSB：最高有效位

LSU：加載存儲單元

MCU：微控制器單元

MPU：存儲器保護單元

MMU：存儲器管理單元

MSP：主堆棧指針

NMI：不可屏蔽中斷

NVIC：嵌套向量中斷控制器

PC：程序計數(shù)器

PPB：私有外設(shè)總線

同時，還要如下規(guī)定：

數(shù)值

1. 4''hC , 0x123 都表示16進制數(shù)

2. #3表示數(shù)字3 (e.g., IRQ #3 就是指3號中斷)

3. #immed_12表示一個12位的立即數(shù)

4. 寄存器位。通常是表示一個位段的數(shù)值，例如

bit[15:12] 表示位序號從15往下數(shù)到12，這一段的數(shù)值。

寄存器訪問類型

1. R 表示只讀

2. W表示只寫

3. RW 表示可讀可寫（前3條好像地球人都知道）

4. R/Wc 表示可讀，但是寫訪問將使之清 0

Cortex-M3芯片簡介

1、芯片的基本結(jié)構(gòu)如下圖

2、關(guān)于ARMv7的知識了解

在這個版本中，內(nèi)核架構(gòu)首次從單一款式變成3種款式。

款式A：設(shè)計用于高性能的“開放應(yīng)用平臺”——越來越接近電腦了 。

款式R：用于高端的嵌入式系統(tǒng)，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(fēng)格的系統(tǒng)中。

介紹A:用于高性能的“開放應(yīng)用平臺”，應(yīng)用在那些需要運行復(fù)雜應(yīng)用程序的處理器。支持大型嵌入式操作系統(tǒng)。

R:用于高端的嵌入式系統(tǒng)，要求實時性的。

M:用于深度嵌入的、單片機風(fēng)格的系統(tǒng)中。

3、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(yīng)用在以下領(lǐng)域：

（1）低成本單片機

（2）汽車電子

（3）數(shù)據(jù)通信

（4）工業(yè)控制

（5）消費類電子產(chǎn)品

4、Cortex-M3概覽

（1）簡介

Cortex-M3是一個 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，存儲器接口也是 32 位的。CM3 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。為實現(xiàn)這個特性， 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)總線共享同一個存儲器空間（一個統(tǒng)一的存儲器系統(tǒng)）。

比較復(fù)雜的應(yīng)用可能需要更多的存儲系統(tǒng)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）Cortex-M3的簡化圖

（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，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(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(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是0，這意味著堆?？偸?字節(jié)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(shù)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(zhí)行流（這里有很多高級技巧）

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）

Cortex-M3處理器支持兩種處理器的操作模式，還支持兩級特權(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 的另一個側(cè)面則是特權(quán)的分級——特權(quán)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(zhí)行涉及到要害的操作。處理器支持兩種特權(quán)級，這也是一個基本的安全模型。

在 CM3 運行主應(yīng)用程序時（線程模式），既可以使用特權(quán)級，也可以使用用戶級；但是異常服務(wù)例程必須在特權(quán)級下執(zhí)行。復(fù)位后，處理器默認進入線程模式，特權(quán)極訪問。在特權(quán)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(guī)定的禁地之外），并且可以執(zhí)行所有指令。

在特權(quán)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(quán)級，它必須先“申訴”：執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用指令(SVC)。這會觸發(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，如果批準了進入，則異常服務(wù)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(quán)級。

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

通過引入特權(quán)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(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。進一步地，如果配了 MPU，它還可以作為特權(quán)機制的補充——保護關(guān)鍵的存儲區(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

動態(tài)優(yōu)先級調(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。當前優(yōu)先級被存儲在 xPSR 的專用字段中。當一個異常發(fā)生時，硬件會自動比較該異常的優(yōu)先級是否比當前的異常優(yōu)先級更高。如果發(fā)現(xiàn)來了更高優(yōu)先級的異常，處理器就會中斷當前的中斷服務(wù)例程（或者是普通程序），而服務(wù)新來的異?！戳⒓磽屨?。

向量中斷支持： 當開始響應(yīng)一個中斷后，CM3會自動定位一張向量表，并且根據(jù)中斷號從表中找出 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，中斷延遲時間大為縮短。

（5）存儲器映射

Cortex-M3支持4G存儲空間，具體分配如下圖：

（6）總線接口

Cortex-M3內(nèi)部有若干個總線接口，以使 CM3能同時取址和訪內(nèi)（訪問內(nèi)存），它們是：

指令存儲區(qū)總線（兩條）

系統(tǒng)總線

私有外設(shè)總線

有兩條代碼存儲區(qū)總線負責(zé)對代碼存儲區(qū)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(zhí)行速度進行優(yōu)化。

系統(tǒng)總線用于訪問內(nèi)存和外設(shè)，覆蓋的區(qū)域包括 SRAM，片上外設(shè)，片外 RAM，片外擴展設(shè)備，以及系統(tǒng)級存儲區(qū)的部分空間。

私有外設(shè)總線負責(zé)一部分私有外設(shè)的訪問，主要就是訪問調(diào)試組件。它們也在系統(tǒng)級存儲區(qū)。

（7）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(quán)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(guī)（violated）時，MPU 就會產(chǎn)生一個 fault 異常，可以由fault異常的服務(wù)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(tǒng)使用 MPU，以使特權(quán)級代碼的數(shù)據(jù)，包括操作系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)不被其它用戶程序弄壞。MPU在保護內(nèi)存時是按區(qū)管理的。它可以把某些內(nèi)存 region設(shè)置成只讀，從而避免了那里的內(nèi)容意外被更改；還可以在多任務(wù)系統(tǒng)中把不同任務(wù)之間的數(shù)據(jù)區(qū)隔離。一句話，它會使嵌入式系統(tǒng)變得更加健壯，更加可靠（很多行業(yè)標準，尤其是航空的，就規(guī)定了必須使用 MPU來行使保護職能——譯

注） 。

（8）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(guān)指令。并且從整體性能上，Cortex-M3比得過絕大多數(shù)其它的架構(gòu)。

指令總線和數(shù)據(jù)總線被分開，取值和訪內(nèi)可以并行不悖 。

Thumb-2的到來告別了狀態(tài)切換的舊世代，再也不需要花時間來切換于 32位 ARM狀態(tài)和16位Thumb狀態(tài)之間了。這簡化了軟件開發(fā)和代碼維護，使產(chǎn)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(shù)據(jù)操作現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸。

Cortex-M3的設(shè)計允許單片機高頻運行（現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)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(shù)(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(yīng)用在 CM3上需要更低的主頻。

2、先進的中斷處理功能

內(nèi)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(xiàn)的，不需要軟件代碼來實現(xiàn)。

Cortex-M3在進入異常服務(wù)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(yīng)，也再不需要匯編語言代碼了

NVIC支持對每一路中斷設(shè)置不同的優(yōu)先級，使得中斷管理極富彈性。最粗線條的實現(xiàn)也至少要支持 8級優(yōu)先級，而且還能動態(tài)地被修改。

優(yōu)化中斷響應(yīng)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(zhí)行完的指令，是可以被中斷－繼續(xù)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(tǒng)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(yīng)。對很多安全-關(guān)鍵(safety-critical)的應(yīng)用，NMI都是必不可少的（如化學(xué)反應(yīng)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(jié)構(gòu)，為學(xué)習(xí)STM32打好了基礎(chǔ)。

審核編輯：湯梓紅