3800个字彻底弄清cortex

3800个字彻底弄清cortex

• arm内核发展历史
• cortexM0系列芯片系统框图
• 通用寄存器
• m0特殊寄存器
• m3/m4/m7特殊寄存器
  • MSP和PSP
  • xPSR
  • PRIMASK
  • CONTROL
  • FAULTMASK
  • BASEPRI
• 栈空间操作
• 异常和中断
  • 系统异常
• NVIC可嵌套向量中断控制器
• 系统操作寄存器
  • NVIC寄存器
  • 系统控制块SCB寄存器
  • SysTick寄存器
• cortex-m0启动流程
• 中断向量表
• 大小端
• 堆栈
  • 压栈的寄存器
• 杂项指令集
• M0/M3/M4/M7区别
• M3系统框图
• M3快速开关中断汇编指令
• M3内核CONTROL寄存器
• 异常和中断
• MPU存储器保护单元

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

1. 程序从0x00000000地址开始执行
2. m0从程序bin文件的开始处第2个word运行reset_handler
3. 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）
4. 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
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
17	IRQ	#1	可编程
…	…	…	…
255	IRQ	#239	可编程

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)。