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 |
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
- 程序从0x00000000地址开始执行
- m0从程序bin文件的开始处第2个word运行reset_handler
- 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）
- 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)
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)。
