第二章编程模型(Cortex-M7 Processor Programmers Model)

第二章编程模型

本章描述了程序员模型。它包含以下部分:

• 关于2-2页的程序员模型。
• 2-3页的操作和执行方式。
• 指令集摘要见第2-4页。
• 系统地址映射在2-5页。
• 2-8页的独家监视器。
• 处理器核心寄存器在第2-9页。
• 例外情况见第2-10页。

2.1关于编程模型

本章概述了描述实现定义选项的Cortex-M7处理器程序员模型。此外:

• 第三章总结了编程模型的系统控制特性。
• 第六章总结了编程模型的MPU特点。
• 第七章总结了编程模型的NVIC特征。
• 第8章总结了编程模型的FPU特性。
• 第9章总结了编程模型的调试特性。
• 第10章总结了编程模型的CTI特征。
• 第11章总结了编程模型的DWT特性。
• 第12章总结了编程模型的ITM特性。

 2.2操作和执行方式

本节简要介绍Cortex-M7处理器的操作和执行模式。有关更多信息，请参阅Arm v7-M架构参考手册。

2.2.1操作模式

处理器支持Thread模式和Handler模式两种操作模式:

• 处理器在复位或异常返回时进入线程模式。特权和非特权代码可以在线程模式下运行。
• 处理器由于出现异常而进入Handler模式。所有代码都享有特权演技时尚。

2.2.2操作状态

处理器可以在两种工作状态下工作:

• 拇指的状态。这是运行16位和32位半字对齐Thumb指令的正常执行。
• 调试状态。这是处理器停止调试时的状态。

2.2.3特权访问和非特权用户访问

代码可以以特权或非特权的方式执行。非特权执行限制或排除对某些资源的访问。特权执行可以访问所有资源。处理程序模式总是特权的。线程模式可以是特权模式或非特权模式。

2.3指令集汇总

处理器实现了ARMv7-M指令集和ARMv7E-M架构配置文件提供的特性。有关ARMv7-M指令的更多信息，请参阅《Arm v7-M架构参考手册》。

2.3.1与其他Cortex处理器的二进制兼容性、

该处理器与其他Cortex-M配置文件处理器中实现的指令集和功能具有二进制兼容性。您不能将软件从Cortex-M7处理器移动到:

• Cortex-M3处理器，如果它包含浮点运算或指令，是DSP扩展的一部分，如SADD16。
• Cortex-M4处理器，如果它包含双精度浮点操作。
• Cortex-M0或Cortex-M0+处理器，因为它们是ARM6-M架构的实现。

为Cortex-M3和Cortex-M4处理器设计的代码与Cortex-M7处理器兼容，只要它不依赖于比特带。

为了确保将软件迁移到Cortex-M7处理器时的平稳过渡，Arm建议设计用于在Cortex-MO、MO+、M3和M4处理器上运行的代码遵循以下规则，并适当配置配置和控制寄存器(CCR):

• 使用字传输只访问NVIC和系统控制空间(SCS)中的寄存器。
• 将处理器上所有未使用的SCS寄存器和寄存器字段视为不修改。
• 请在CCR中配置以下字段:

1. STKALIGN位到1。
2. UNALIGN_TRP位为1。
3. 在CCR寄存器中保留所有其他位的原始值。

 2.4系统地址映射

处理器包含一个内部总线矩阵，它仲裁处理器和外部AHBD存储器对外部存储器系统以及内部sc和调试组件的访问。

优先级总是给予处理器，以确保任何调试访问都尽可能是非侵入性的。

系统地址映射如图2-1所示。

 表2-1显示了由不同内存映射区域寻址的处理器接口。

 2.4.1专用外围总线

内部PPB接口提供以下访问:

• 仪表跟踪宏单元(ITM)。
• 数据观察点和跟踪(DWT)。
• 断点单元(FPB)。
• SCS，包括MPU，指令和数据缓存，以及嵌套矢量中断控制器(NVIC)。
• 处理器和PPB ROM表。

外部PPB接口提供访问:

• 嵌入式跟踪宏单元(ETM)。
• CTI (Cross Trigger Interface)接口。
• CoreSight调试和跟踪外部系统中的组件。

2.4.2跨区域的非对齐访问

Cortex-M7处理器支持ARMv7非对齐访问，并将所有访问作为单个非对齐访问执行。它们在内部被转换成两个或多个对齐的访问，并在处理器的外部接口上执行。

请注意：

所有Cortex-M7处理器外部访问都是对齐的。

未对齐支持仅适用于加载/存储单(LDR, LDRH, STR, STRH)。加载/存储双精度已支持字对齐访问，但不允许其他未对齐访问。

如果尝试这样做，就会产生错误。

跨内存映射边界的未对齐访问在体系结构上是不可预测的。处理器行为依赖于边界。不支持对PPB空间的不对齐访问，所以PPB访问不存在跨界情况。

2.5独家监控

Cortex-M7处理器实现了一个本地独占监视器。有关信号量和本地独占监视器的更多信息，请参阅Arm*v7-M架构参考手册。

处理器中的本地监视器被构造成不包含任何物理地址。相反，它将任何访问视为匹配前一个LDREX指令的地址。这意味着实现的独占保留颗粒(ERG)是整个内存地址范围。

2.6处理器核心寄存器

处理器有以下32位寄存器:

• 13个通用寄存器，RO-R12。
• 堆栈指针(SP)， R13银行寄存器的别名，SP_process和SP_main。
• 链接寄存器(Link Register, LR)， R14。程序计数器(PC)， R15。
• 专用程序状态寄存器(xPSR)。

有关处理器寄存器集的更多信息，请参阅Arm*v7-M架构参考手册。

2.7异常

处理器和NVIC优先处理所有异常。处理异常时:

• 所有异常都以Handler模式处理。
• 处理器状态在异常时自动存储到堆栈中，并在中断服务程序(ISR)结束时自动从堆栈中恢复。
• 矢量与状态保存并行获取，从而实现高效的中断进入。

处理器支持尾链，它支持背靠背中断，而不需要状态保存和恢复的开销。

在实现过程中，您可以配置中断的数量和中断优先级级别。软件可以选择只启用中断配置数量的一个子集，并可以选择使用多少个配置优先级。

请注意

EPSR。T位支持Arm架构互连模型，但是，由于ARMv7-M只支持执行Thumb指令，因此必须始终将其值保持为1。这意味着所有异常向量必须设置位[0]。如果在异常项上相关向量表项的位[0]被设置为0，则执行第一条指令会导致INVSTATE UsageFault。如果在重置时发生这种情况，则会升级为HardFault，因为在重置时禁用了UsageFault。

2.7.1异常处理

无论是TCM接口、AXIM接口还是AHB接口的外部读错误，都会在处理器中产生同步异常。外部写错误在处理器中产生异步异常。

处理器实现了高级异常和中断处理，如Arm*v7-M架构参考手册中所述。

除了架构定义的行为之外，处理器异常模型还具有以下实现定义的行为:

从HardFault到NMI锁定在NMI优先级上的堆叠异常。

从NMI解除堆叠到HardFault锁定的异常，优先级为HardFault。

为了最小化中断延迟，处理器可以在识别中断时放弃正在执行的大部分多周期指令。唯一的例外是来自Device或强排序内存的加载，或者在AXI接口上启动的共享存储独占操作。当中断被识别时，所有正常的内存事务将被放弃。

处理器从中断返回时重新启动任何被放弃的操作。处理器还实现了可中断-可持续位，允许加载和存储多个可中断和可持续。在这些情况下，处理器在最后一次完成传输后恢复这些指令的执行，而不是从头开始。有关可中断可持续位和密钥限制的更多信息，请参阅Arm v7-M架构参考手册。

具体来说，在Cortex-M7处理器上，这些指令总是重新启动而不是继续:

• 指令错误。
• 该指令位于If-Then (IT)块中。
• 该指令是一个加载倍数，在列表中有基寄存器，并且已经加载了基寄存器。
• 该指令是一个负载倍数，并受到ECC错误的影响。