STM32课程之ARM体系结构概述笔记

ARM相关知识

问题一 ：为什么学习STM32要学习ARM知识？
答：STM32的核心部件CPU是Cortex-M系列处理器。

ARM处理器家族

1）早期的经典处理器：ARM7、ARM9、ARM11系列
2）Cortex-M 系列：为单片机驱动的系统提供低成本优化方案，应用于传统的微控制市场、智能传感器、汽车周边部件等
3）Cortex-A 系列：针对开放式操作系统的高性能处理器，应用于智能手机、数字电视、智能本等高端运用
4）Cortex-R 系列：针对实时系统、满足实时性的控制需求，应用于汽车制动、动力系统等

ARM处理器架构

ARM处理器架构主要从两方面考虑：指令集和基于该体系结构下处理器的编程模型（基本数据类型、工作模型、寄存器组）。基于同种体系结构可以有多种处理器、每个处理器的性能不同，面向的应用领域也不同。
ARM体系结构的发张
目前ARM体系结构共定义了8个版本V1-V8
V1-V3最早的版本，目前已废弃
V4-V6经典处理器中运用的比较多
V7 目前Cortex系列处理器主要是这种架构、支持Thumb-2 的32位指令集。
V8 兼容ARMv7架构的特性，并支持64位数据处理。

ARM指令集

• 指令集的概念
  处理器能够识别并执行的指令集合；
  每一条指令可处理一个简单或复杂操作；
  每一条指令对应一条或几条汇编指令。
• 指令集常见分类
  复杂指令集（CISC）：包含处理复杂操作的特定指令，指令长度不固定，执行需要多个周期。
  精简指令集（RISC）：指令简单而有效，格式和长度通常是固定的，大多数指令在一个周期内可以执行完毕。
• ARM的内核是基于RISC体系结构的。

SOC（片上系统）

soc指的是在单个芯片上集成一个完整的计算机系统，所谓完整的系统一般包括中央处理器CPU、存储器、以及外围电路等。

Cortex-M0处理器

Cortex-M系列产品主要包括Cortex-M0、 Cortex-M1、 Cortex-M3、 Cortex-M4、Cortex-M7等，其中Cortex-M0主打低功耗核混合信号的处理，M3主要用来代替ARM7，重点侧重能耗和能的平衡，而M7则重点放在高性能控制预算领域。

Cortex-M0结构框图

Cortex-M0微处理器主要包括处理器内核、嵌套向量中断控制器NVIC、调用子系统、内部总线系统。Cortex-M0 微处理器通过精简的高性能总线（AHB-LITE）与外部进行通信。

Cortex-M0特性

• Thumb 指令集，高效、高代码密度；
• 高性能，使用ARMv6-M的体系架构；
• 中断数量可配置（1-32个），4级中断优先级，提供不可屏蔽中断NMI，保障高可靠性系统；
• 门电路少，低功耗，处理器可在休眠状态下掉电以降低功耗，还可以被WIC唤醒；
• 与Cortex-M1 处理器兼容，向上兼容Cortex-M3和Cortex-M4处理器，可以很容易的升级到Cortex-M3。Cortex-M3和Cortex-M4移植到Cortex-M0 也很简单。
• 支持多种嵌入式操作系统，也被多种开发组件支持，包括MDK（ARM keil 微控制器开发套件）、RVDS（ARM RealView 开发组件）、IAR C编译器等。

Cortex-M0工作模式

Cortex-M有两种工作模式和两种工作状态

• 线程模式
  芯片复位后，即进入线程模式，执行用户程序。
• 处理模式
  当处理器发生了异常或者中断，则进入处理模式进行处理，处理完毕后返回线程模式。
• Thumb状态
  正常运行时处理器的状态。
• 调试状态
  调试程序时处理器的状态。
  

Cortex-M0寄存器组——通用寄存器

Cortex-M0 处理器内核有13个通用寄存器以及多个特殊寄存器。

• R0-R12 ：通用寄存器。其中R0-R7为低端寄存器，可作为16位或者32位指令操作数，R8-R12为高端寄存器，只用作32位操作数。
• R13：堆栈指针SP，Cortex-M0在不同物理位置上存在两个栈指针，主栈指针MSP，进程栈指针PSP。在处理模式下，只能使用住堆栈；在进程模式下，可以使用主堆栈也可以使用进程堆栈，这主要是CONTROL寄存器控制完成。系统上电默认栈指针是MSP
• R14 ：连接寄存器（LR），用于存储子程序或者函数调用返回地址。
• R15：程序计数器（PC），存储下一条将要执行的指令地址。

Cortex-M0寄存器组——特殊寄存器

• xPSR：组合程序状态寄存器，该寄存器由三个程序状态寄存器组成
  1）应用PSR（APSR）：包含前一条指令执行后的条件位
  2）中断PSR（IPSR） ：包含当前ISP的异常编号
  3）执行PSR（EPSR）：包含Thumb状态位
  
• PRIMSK：中断屏蔽特殊寄存器
• CONTROL：控制寄存器
  控制处理器处于线程模式使用哪个堆栈，控制位等于0，使用MSP，等于1，使用PSP。处于处理器模式时，固定使用MSP。
  

Cortex-M0异常和中断

Cortex-M0 处理器最多支持32个外部中断（通常称为IRQ）和一个不可屏蔽中断NMI，另外Cortex-M0 还支持许多系统异常（Reset、HardFault、SVCall、PendSV、SycTick），他们主要用于操作系统和错误处理。

Cortex-M0指令集

ARM 处理器支持两种指令集：ARM 和 Thumb。
EPSR 寄存器的 T 标志位负责指令集的切换，Cortex-M0只支持Thumb指令

• ARM指令集
  1）32位精简指令集；
  2）指令长度固定；
  3）降低编码数量产生的耗费，减轻解码和流水线的负担；
• Thumb指令集
  1）Thumb指令集是ARM指令集的一个子集；
  2）指令宽度16位；
  3）与32位指令集相比，大大节省了系统的存储空间；
  4）Thumb指令集不完整，所以必须配合ARM指令集一同使用。
  Thumb 与 ARM 相比，代码体积小了 30%，但性能也低了 20%。2003 年，ARM 公司引入了 Thumb-2 技术，具备了一些 32 位的 Thumb 指令，使得原来很多只有 ARM 指令能够完成的功能，用 Thumb 指令也可以完成了。Cortex-M0 基于的 ARMv6-M 体系结构，该体系结构的处理器只是用了16位Thumb指令和部分32位Thumb指令

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