Cortex-M3内核简析

MCU的主要组成有：内核、储存器、外设。大部分刚接触MCU的人员一般是从关注外设的使用开始，但对于要深入理解MCU工作原理，了解MCU的内核、储存器这两部分内容是很有必要的。本文将以Cortex-M3内核为例对MCU的内核做一个简要分析。主要关注以下三个问题：

问题一、定义：Cortex-M3内核是什么？

问题二、结构：Cortex-M3架构是怎么样的？

问题三、功能：Cortex-M3架构各模块各有什么用？

下面我们来通过解答以上三个问题来初步认识Cortex-M3内核。

一、Cortex-M3内核是什么（定义）？

Cortex-M3 内核是单片机的中央处理器单元 CPU 。

Cortex-M3 内核与基于 Cortex-M3 的 MCU区别 ：

基于 Cortex-M3 的 MCU ： Cortex-M3+ 存储器 + 外设等。 Cortex-M3内核通过接口总线的形式挂载了储存器、外设、中断等组成一个MCU， 如图所示

 

二、Cortex-M3架构是怎么样的（结构）？

特点：

1、Cortex-M3 是一个 32 位处理器内核。内部的数据路径是 32 位，寄存器是 32 位，存储器接口是 32 位。

2、Cortex-M3 采用哈佛架构。拥有独立的指令总线和数据总线，取指与数据访问可以同时进行。

3、 支持小端模式、大端模式。

组成介绍：

Cortex-M3内核的架构如下图所示，本文我们主要关注架构图中标了序号的模块。有：

寄存器组（①）、NVIC（②）、中断和异常（③）、储存器映射（④)、总线接口（⑤）、调试支持（⑥）、指令集。（注：数字序号与图中序号对应）

三、Cortex-M3架构各模块各有什么用（功能）？

1、寄存器组（①）

 

1、R0-R12 ：通用寄存器

R0-R12 都是 32 位通用寄存器，用于数据操作。绝大多数 16 位 Thumb 指令只能访问 R0-R7 ， 32 位 Thumb-2 指令可以访问所有寄存器。

2、R13 ：两个堆栈指针。

CM3 拥有两个堆栈指针，都是 banked ，因此任一时刻只能使用其中一个。

主堆栈指针 MSP ：复位后缺省使用的堆栈指针，用于操作系统内核以及异常处理例程。

进程堆栈指针 PSP ：由用户的应用程序代码使用。

堆栈指针的最低两位永远是 0 ，意味着堆栈总是 4 字节对齐。

3、R14 ：连接寄存器

当调用一个子程序时，由 R14 存储返回地址。不像大多数其他处理器， ARM 为了减少访问内存的次数，把返回地址直接存储在寄存器中。这样足以使很多只有 1 级子程序调用的代码无需访问内存（堆栈内存），从而提高子程序调用的效率。如果多于 1 级，则需要把前一级的 R14 值压到堆栈里。

4、R15 ：程序计数寄存器

指向当前的程序地址，如果修改它的值，就能改变程序的执行流。

5、 特殊功能寄存器

PSRs ：程序状态字寄存器组

PRIMASK,FAULTMASK,BASEPRI ：中断屏蔽寄存器组

CONTROL: 控制寄存器

特殊功能寄存器的功能描述如下图所示。

2、NVIC 嵌套向量中断控制器（②）

1、 可嵌套中断支持。可嵌套中断支持，覆盖所有的外部中断和绝大多数系统异常。这些异常可以赋予不同的优先级。当前优先级被存储在 xPSR 的专用字段。当一个异常发生时，硬件会字段比较该异常是否与当前的异常优先级更高，如果发现来了更高优先级的异常，处理器就会中断当前的中断服务程序，而服务新来的异常。

2、 向量中断支持。当开始响应一个中断后， Cortex-M3 会自动定位一张向量表，并且根据中断号从表中找出 ISR 的入口地址，然后跳转过去执行。

3、 动态优先级调整。软件可以在运行时期更改中断的优先级，如果在某 ISR 中修改了自己所对应中断的优先级，而且这个中断又有新的实例处于悬起中，也不会自己打断自己，从而没有重入风险。

4、 中断延迟大大缩短。 Cortex-M3为了缩短中断延迟，引入了几个新特性，包括自动的现场保护和恢复，以及其它的措施，用于缩短中断嵌套时的ISR间延迟。

5、 中断可屏蔽。既可以屏蔽优先级低于某个阈值的中断 / 异常（设置 BASEPRI 寄存器），也可以全体封杀（设置 PRIMASK 和 FAULTMASK 寄存器）。这是为了让时间关键的任务能在死线到来前完成，而不被干扰。

3、中断和异常（③）

Cortex-M3 的所有中断机制都由 NVIC 实现。除了支持 240 条中断之外， NVIC 还支持 16-4-1=11 个内部异常源（4+1个为保留），可以实现 fault 管理机制。结果， Cortex-M3 有了 256 个预定义的异常类型。

虽然 Cortex-M3 支持 240 个外中断，但具体使用了多少个是由芯片生产商决定。 Cortex-M3 还有一个 NMI （不可屏蔽中断）输入脚，当它被置为有效时， NMI 服务函数会无条件地执行。

 

4、存储器映射（④)

Cortex-M3 支持 4GB 存储空间。

不像其它的 ARM 架构，它们的存储器映射由半导体厂商说的算。 Cortex-M3 预先定义了“粗线条的”存储器映射。通过把片上外设的寄存器映射到外设区，就可以简单地以访问内存的方式来访问这些外设的寄存器，从而控制外设的工作。不要每学一种不同的单片机就要熟悉一种新的存储器映射。

各个分区存储器映射如下图，有Code区（Flash区）、片上SRAM区、片上外设区、片外RAM区、片外外设区、 Cortex-M3私有外设区。

 

5、总线接口（⑤）

Cortex-M3 内部有若干个总线接口，以使 Cortex-M3 能同时取址和访内（访问内存）：

1、 指令存储区总线（两条）：有两条代码存储区总线负责对代码存储区的访问，分别是 I-Code 总线和 D-Code 总线。前者用于取指，后者用于查表等操作。（对应架构图中的数字序号⑴）

2、 系统总线用于访问内存和外设。覆盖的区域包含 SRAM 、片上外设、片外 RAM 、片外扩展设备，以及系统级存储区的部分空间。（对应架构图中的数字序号⑵）

3、 私有外设总线负责一部分私有外设的访问，主要是访问调试组件。它们也在系统级存储区。（对应架构图中的数字序号⑶）

6、调试支持（⑥）

Cortex-M3 在内核水平上搭载了若干种调试相关的特性。最主要的就是程序执行控制，包括停机（ halting ）、单步执行（ stepping ）、指令断点、数据观察点、寄存器和存储器访问、性能速写以及各种跟踪机制。

目前可用的 DPs 包括 SWJ-DP ，既支持传统的 JTAG 调试，也支持新的串行线调试协议 SWD 。  

7、指令集

Cortex-M3 只使用 Thumb-2 指令集，它允许 32 位指令和 16 位指令水乳交融，代码密度和处理性能两手抓。

在过去，做 ARM 开放必须处理好两个状态。 32 位的 ARM 状态和 16 位的 Thumb 状态，这两个状态是井水不犯河水。当处理器在 ARM 状态下时 2 ，所有的指令均是 32 位的，那怕是 NOP 指令，此时性能相当高。在 Thumb 状态下，所有的指令均是 16 位的，代码密度提高了一倍。但是， Thumb 状态下的指令功能是 ARM 下的一个子集，结果可能需要更多条的指令区完成相同的工作，导致处理性能下降。

为了取长补短，很多应用程序都混合使用 ARM 和 Thumb 代码段。这种混合使用有额外开销，时间和空间上都有，主要发生在状态切换时，另一方面， ARM 代码和 Thumb 代码需要以不同的方式编译，这也增加了软件开发管理的复杂度。

如下图为ARM7处理的状态切换图。

Cortex-M3 只使用 Thumb-2 指令集，使 Cortex-M3有几个方面比传统ARM处理器更先进：

1、消灭了状态切换的额外开销，节省了执行时间和指令空间。

2、不需要把源代码分成ARM编译和Thumb编译，软件开发的管理大大减少。

3、无需再反复求证和测试：究竟在何时何地切换到何种状态，程序才最有效率。

 

本文主要参考以下资料编写：

·《 Cortex M3 权威指南》