LV.23 D1 ARM体系结构概述 学习笔记

一、必须要了解的ARM知识点

1、ARM公司简介

ARM（Advanced RISC Machines）有三种含义：        

        它是一个公司的名称、它是一类微处理器的通称、它是一种技术的名称。

2、ARM处理器家族

早先经典处理器

        包括ARM7、ARM9、ARM11家族。  

Cortex-M 系列

        为单片机驱动的系统提供的低成本优化方案，应用于传统 的微控制器市场，智能传感器，汽车周边部件等。

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。  

Cortex-R 系列

        针对实时系统、满足实时性的控制需求；

        应于汽车制动系统，动力系统等。

3、ARM处理器架构

概念

        体系结构定义指令集和基于这一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体系结构发展  

        目前ARM体系架构共定义了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

4、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（加、加乘…）；

        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

5、SOC的概念

SOC(片上系统)        

        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。

 

 二、Cortex-M0概述

1、Cortex-M0处理器简介

        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 主打低功耗和混合信号的处理，M3 主要用来替代 ARM7,重点侧重能耗与性能的平衡，而 M7 则重点放在高性能控制运算领域。

注：我们课程中使用的STM32F051微控制器内核就是ARM Cortex-M0、因此我们首先学习一下M0内核的知识

2、Cortex-M0体系结构

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）、调试子系统、内部总线系统构成。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，低中断切换时延，提供不可屏蔽中断（NMI）输入保障高可靠性系统；

        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，可以很容易地升级到 Cortex-M3。Cortex-M3 和 Cortex-M4 移植到 Cortex-M0 也非常简单。

        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-M0有两种工作模式和两种工作状态

线程模式（Thread Mode）：

        芯片复位后，即进入线程模式，执行用户程序；

处理模式（Handler Mode）：

        当处理器发生了异常或者中断，则进入处理模式进行处理、处理完成后返回线程模式。

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，如图 所示。具体介绍如下：

        R0-R12：通用寄存器。其中 R0-R7 为低端寄存器，可作为 16 位或 32 位指令操作数，R8-R12 为高端寄存器，只能用作 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，只能使用主堆栈，在线程模式下，可以使用主堆栈也可以使用进程堆栈，这主要是由 CONTROL 寄存器控制完成。 系统上电的默认栈指针是MSP

        R14：连接寄存器(LR)，用于存储子程序或者函数调用的返回地址

         R15：程序计数器（PC），存储下一条将要执行的指令的地址。

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

        应用PSR（APSR）：     包含前一条指令执行后的条件标志

        中断PSR（IPSR）：  包含当前ISR的异常编号

        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是，使用哪个堆栈=0时，使用MSP，=1时，使用PSP

        处理器模式时，固定使用MSP

3、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、SysTick），它们主要用于操作系统和错误处理，参见下表

 

4、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

        32位精简指令集；

        指令长度固定；

        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

        Thumb指令集是ARM指令集的一个子集；

        指令宽度16位；

        与32位指令集相比，大大节省了系统的存储空间；

        Thumb指令集不完整，所以必须配合ARM指令集一同使用。

注：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

 

三、认识STM32

1、STM32产品的介绍

2、STM32产品命名规范

以STM32F051K8U6为例：

3、STM32F0体系架构

 系统主要由以下几个模块组成 :

        ● 二个主模块 :  

                – Cortex-M0 内核及先进高性能总线 (AHB bus)    

                – 通用 DMA ( GP-DMA -- general-purpose DMA)

        ● 四个从模块 :    

                – 内部 FLASH    

                – 内部SRAM    

                – 专门用于连接 GPIO 口的 AHB2    

                – AHB 到 APB 的桥 , 所有的外设都挂在 APB 总线上

 

 四、STM32F0硬件平台介绍