Cortex 内核
arm内核发展历史
| arm内核 | 架构 |
|---|---|
| arm7 | armv6 |
| cortex-m0 | armv6-m |
| cortex-m0+ | armv6-m |
| cortex-m3 | armv7-m |
| cortex-m4 | armv7-m |
| cortex-m7 | armv7-m |
| arm9 | ARMv6 |
| arm11 | ARMv6 |
| arm12 | ARMv6 |
| cortex-a7 | armv7-a |
| cortex-a8 | armv7-a |
| cortex-a9 | armv7-a |
| cortex-a15 | armv7-a |
| cortex-A17 | armv7-a |
| cortex-A53 | armv8 |
| cortex-A57 | armv8 |
| cortex-A72 | armv8 |
cortexM0系列芯片系统框图
系统中包括：
- 中断控制器
- M0内核
- AHB总线
- 存储器和外设
- 电源管理
- 时钟树
- 调试系统
通用寄存器
| R0 | R1 | R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | R8 | R9 | R10 | R11 | R12 |
m0特殊寄存器
| SP(R13) | LR(R14) | PC(R15) | CONTROL | xPSR | PRIMASK |
m3/m4/m7特殊寄存器
| SP(R13) | LR(R14) | PC(R15) | CONTROL | xPSR | PRIMASK | FAULTMASK | BASEPRI |
MSP和PSP
msp中断中会使用，psp用于线程栈使用，通过配置CONTROL寄存器切换。
系统复位后默认使用msp，中断中也使用msp。
xPSR
IPSR可以用来判断当前处于什么中断。
PRIMASK
中断屏蔽寄存器，写1屏蔽所有中断(除了不可屏蔽中断和hardfault)
CONTROL
第1bit写1表示切换成PSP
FAULTMASK
屏蔽所有的fault (NMI不受影响)
BASEPRI
屏蔽所有优先级不高于某个具体数值的中断
栈空间操作
栈向下递减
栈指针始终指向栈的最后一个数据，每次执行数据存储前(push)，SP会首先减小
异常和中断
m0最多支持32个外部中断
系统异常
主要用于操作系统和错误处理
| 异常类型 | 异常编号 | 说明 |
|---|---|---|
| reset | 1 | 上电复位、系统复位 |
| NMI | 2 | 不可屏蔽中断 |
| hardfault | 3 | 硬件错误 |
| SVCall | 11 | 系统调用 |
| PendSV | 13 | 挂起系统调用 |
| systick | 15 | 系统滴答 |
NVIC可嵌套向量中断控制器
- 中断可嵌套
- 相同优先级的中断不可嵌套
- 相同中断不可嵌套
系统操作寄存器
实际上是许多的系统管理的寄存器 |地址范围|寄存器说明| |---|----| |0xE000E008 - 0xE000E00F|System Control Block Table| |0xE000E010 - 0xE000E01F|预留| |0xE000E010 - 0xE000E01F|SysTick操作寄存器| |0xE000E100 - 0xE000E4EF|NVIC操作寄存器| |0xE000ED00 - 0xE000ED3F|系统控制块| |0xE000EF00 - 0xE000EF03|NVIC|
NVIC寄存器
| 地址 | 寄存器名称 | 说明 |
|---|---|---|
| 0xE000E100 | ISER | 中断使能寄存器 |
| 0xE000E180 | ICER | 中断失能寄存器 |
| 0xE000E200 | ISPR | 中断挂起寄存器 |
| 0xE000E280 | ICPR | 清除挂起中断的寄存器 |
| 0xE000E400 - 0xE000E41C | IPR0-7 | 中断优先级配置寄存器 |
系统控制块SCB寄存器
| 地址 | 寄存器名称 | 说明 |
|---|---|---|
| 0xE000ED00 | CPUID | CPUID |
| 0xE000ED04 | ICSR | 中断控制和状态寄存器 |
| 0xE000ED0C | AIRCR | 应用中断和复位的寄存器 |
| 0xE000ED10 | SCR | 系统控制寄存器 |
| 0xE000ED14 | CCR | 配置控制寄存器 |
| 0xE000ED1C | SHPR2 | System Handler Priority Register 2 |
| 0xE000ED20 | SHPR3 | System Handler Priority Register 3 |
SysTick寄存器
| 地址 | 寄存器名称 | 说明 |
|---|---|---|
| 0xE000E010 | SYST_CSR | SysTick控制和状态寄存器 |
| 0xE000E014 | SYST_RVR | SysTick重载寄存器 |
| 0xE000E018 | SYST_CVR | SysTick当前值寄存器 |
| 0xE000E01C | SYST_CALIB | SysTick校准寄存器 |
cortex-m0启动流程
- 程序从0x00000000地址开始执行
- m0从程序bin文件的开始处第2个word运行reset_handler
- reset_handler函数开始执行一些必要的初始化（ramfunc函数复制，堆初始化，全局、静态变量初始化等）
- 跳转到main函数中
中断向量表
| sp指针 |
| resetHandler地址 |
| NMIHandler地址 |
| hardfault地址 |
| reserved |
| systickHandler地址 |
| ...... |
大小端
m0支持大端模式和小端模式，不过一般芯片公司选择小端模式。
堆栈
堆向上增长
栈向下增长
压栈的寄存器
| xPSR |
| PC |
| LR |
| R12 |
| R3 |
| R2 |
| R1 |
| R0 |
杂项指令集
| 指令 | 说明 |
|---|---|
| BKPT | 断点 |
| CPSID | 关闭总中断 |
| CPSIE | 打开总中断 |
| DMB | 数据存储器隔离 仅当所有在它前面的存储器访问操作都执行完毕后，才开始后面的存储器访问操作 |
| DSB | 数据同步隔离，比DMB更严格:仅当所有在它前面的存储器访问操作都执行完毕后，才开始后面的指令 |
| ISB | 指令同步隔离，最严格: 会清洗流水线，保证所有它前面的指令都执行完毕之后，才执行后面的指令。 |
| MRS | 从特殊寄存器读取数据到通用寄存器 |
| MSR | 从通用寄存器读取数据到特殊寄存器 |
| NOP | 空转指令 |
| SEV | 产生event |
| SVC | 产生SVC系统调用中断 |
| WFE | 等待event |
| WFI | 等待中断 |
M0/M3/M4/M7区别
M0 armv6-M架构
M3 armv7-M架构 多了basepri寄存器可以阻止某优先级或更低的优先级的中断。 faultmask寄存器提供了更多的错误管理特性。 CONTROL寄存器的bit0用于决定是特权模式还是用户线程模式 32为thumb指令 位段特性 位域处理 多处理器支持 最多240个中断 硬件除法 存储器保护单元 更多的调试和跟踪特性
M4 armv7-M架构 浮点特性 SIMD指令(单周期多指令) 饱和算法 单周期MAC(MAC乘法累加)
| 特性 | M0 | M3 | M4 | M7 |
|---|---|---|---|---|
| basepr |
M3系统框图
M3快速开关中断汇编指令
| 指令 | 效果 | 说明 |
|---|---|---|
| CPSID I | PRIMASK=1 | 关中断 |
| CPSIE I | PRIMASK=0 | 开中断 |
| CPSID F | FAULTMASK=1 | 关异常 |
| CPSIE F | FAULTMASK=0 | 开异常 |
M3内核CONTROL寄存器
- CONTROL[1] 堆栈指针选择 0=选择主堆栈指针 MSP(复位后缺省值) 1=选择进程堆栈指针 PSP 在线程或基础级(没有在响应异常——译注),可以使用 PSP。在 handler 模式下,只允许使用 MSP,所以此时不得往该位写 1。
- CONTROL[0] 0=特权级的线程模式 1=用户级的线程模式 Handler 模式永远都是特权级的。
异常和中断
Cortex‐M3 支持大量异常,包括 16‐4‐1=11 个系统异常,和最多 240 个外部中断——简称 IRQ。
| 编号 | 类型 | 优先级 | 简介 | |
|---|---|---|---|---|
| 0 | N/A | N/A | 没有异常在运行 | |
| 1 | 复位 | -3(最高) | 复位 | |
| 2 | NMI | -2 | 不可屏蔽中断(来自外部 NMI 输入脚) | |
| 3 | 硬(hard) fault | -1 | 所有被除能的 fault,都将“上访”成硬 fault。除能的原因包括当前被禁用,或者 FAULTMASK 被置位。 | |
| 4 | MemManage | 可编程 | fault | |
| 5 | 存储器管理fault | 可编程 | MPU 访问犯规以及访问非法位置均可引发。企图在“非执行区”取指也会引发此 fault总线 fault从总线系统收到了错误响应,原因可以是预取流产(Abort)或数据流产,或者企图访问协处理器 | |
| 6 | 用法(usage) | 可编程 | Fault | 由于程序错误导致的异常。通常是使用了一条无效指令,或者是非法的状态转换,例如尝试切换到 ARM 状态 |
| 7-10 | 保留 | N/A | N/A | |
| 11 | SVCall | 可编程 | 执行系统服务调用指令(SVC)引发的异常 | |
| 12 | 调试监视器 | 可编程 | 调试监视器(断点,数据观察点,或者是外部调试请求 | |
| 13 | 保留 | N/A | N/A | |
| 14 | PendSV | 可编程 | 为系统设备而设的“可悬挂请求”(pendable request) | |
| 15 | SysTick | 可编程 | 系统滴答定时器(也就是周期性溢出的时基定时器——译注) | |
| 16 | IRQ | #0 | 可编程 | 外中断#0 |
| 17 | IRQ | #1 | 可编程 | 外中断#1 |
| ... | ... | ... | ... | |
| 255 | IRQ | #239 | 可编程 | 外中断#239 |
MPU存储器保护单元
Cortex‐M3 有一个可选的存储器保护单元。配上它之后,就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 有很多玩法。最常见的就是由操作系统使用 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。MPU 在保护内存时是按区管理的(“区”的原文是 region,以后不再中译此名词——译注)。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。一句话,它会使嵌入式系统变得更加健壮,更加可靠(很多行业标准,尤其是航空的,就规定了必须使用 MPU 来行使保护职能——译注)。