第2章ARMcortexM3内部结构.

1、第第2章章ARM Cortex-M3内部结构内部结构内容内容l2.1 ARM Cortex-M3简介简介l2.2 指令集指令集l2.3 流水线流水线l2.4 寄存器组寄存器组l2.5 操作模式和特权等级操作模式和特权等级l2.6 异常、中断和向量表异常、中断和向量表l2.7 存储器映射存储器映射l2.8 调试支持调试支持2.1 ARMCortex-M3简介简介lARM公司于公司于2006年推出了年推出了Cortex M3微处理器微处理器核核。lCortex-M3是较高效率（是较高效率（1.25DMIPS/MHz）低功耗）低功耗（0.19mW/MHz）、短中断延时）、短中断延时(最少最少6周期周

2、期)、低调、低调试成本的试成本的32位标准处理器。位标准处理器。l哈佛结构：独立的数据总线和指令总线哈佛结构：独立的数据总线和指令总线l集成硬件乘法器（单周期）和除法器（集成硬件乘法器（单周期）和除法器（2-12周期）周期）l内部的数据总线是内部的数据总线是32位的，寄存器和存储器接口也是位的，寄存器和存储器接口也是32位位的。的。 lCortex-M3采用的采用的V7M架构和指令集，它的速度比架构和指令集，它的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三。快三分之一，功耗低四分之三。2.1 ARMCortex-M3简介简介嵌套向量中断控制器NVIC包含异常和中断管理异常由Cortex-M3定义中

3、断由厂商定义系统基定时器SYSTICK简单的倒计时定时器一般用于整个软件系统的基准定时总线矩阵BusMatrix内部总线系统的核心允许同时对不同区域进行访问包含写缓冲和位带操作逻辑AHB到APB总线桥允许外部设备通过APB总线连接到内核总线矩阵BusMatrix内部总线系统的核心允许同时对不同区域进行访问包含写缓冲和位带操作逻辑AHB到APB总线桥允许外部设备通过APB总线连接到内核2.1 ARMCortex-M3简介简介嵌入式跟踪宏单元ETM选配件实时的指令跟踪跟踪结果由TPIU输出数据观察点及跟踪单元DWT：设置数据观察点，匹配后可触发ETM可将数据信息输出至ITM指令跟踪宏单元ITM：该

4、模块可以支持DWT的调试消息输出调试消息输出到TPIU跟踪端口的接口单元TPIU：提供处理器和外部跟踪设备的数据接口2.1 ARMCortex-M3简介简介闪存地址重载及断点单元FPB支持6个硬件断点地址匹配时产生断点事件将匹配的Flash地址映射到SRAM中，可以用于加载数据或调试时调用子程序ROM表提供调试组件或厂商外设的存储器映射信息2.1 ARMCortex-M3简介简介调试访问接口DAP提供调试器与Cortex-M3的访问接口2.1 ARMCortex-M3简介简介存储器保护单元MPU选配件将存储器分为多个区域并分别进行保护2.1 ARMCortex-M3简介简介AHB-LiteAH

5、BAPB2.2 指令集指令集l旧版本指令集lARM：32位指令集lThumb：16位指令集l新版本指令集Thumb2指令集l消灭了状态切换的额外开销，节省了执行时间和指令空间。lUAL（统一汇编语言）语法机制，由编译器决定使用32位指令或16位指令。l不再需要把源代码文件分成按 ARM 编译的和按 Thumb 编译的，软件开发的管理大大减负。lCortex-M3指令集lThumb2指令集的子集l无协处理器指令l无SIMD（单指令多数据流）指令2.3 流水线流水线lCortex M3处理器使用一个3级流水线。l取指，解码和执行。流水线级数、流水线填充、分支预测2.4 寄存器组寄存器组l32位的处

6、理器内核、32位的数据总线、32位的存储器接口l32位的寄存器l通用寄存器l特殊功能寄存器2.4 寄存器组寄存器组l通用寄存器R0-R15lR0-R7低组寄存器lR8-R12高组寄存器lR13堆栈指针（SP）lMSP主堆栈指针lPSP进程堆栈指针lR14链接寄存器（LR）lR15程序计数器（PC）2.4 寄存器组寄存器组l特殊功能寄存器特殊功能寄存器l只能由只能由MRS和和MSR指令进行读写指令进行读写l程序状态寄存器组程序状态寄存器组l中断屏蔽寄存器组中断屏蔽寄存器组l控制寄存器控制寄存器2.4 寄存器组寄存器组l程序状态寄存器组程序状态寄存器组l应用程序应用程序 PSR（APSR）l中断号

7、中断号 PSR（IPSR）l执行执行 PSR（EPSR）2.4 寄存器组寄存器组l中断屏蔽寄存器组中断屏蔽寄存器组名字功能描述PRIMASK 这是个只有1个位的寄存器。当它置1时，就关掉所有可屏蔽的异常，只剩下NMI和硬fault可以响应。它的缺省值是0，表示没有关中断。FAULTMASK 这是个只有1个位的寄存器。当它置1时，只有 NMI 才能响应，所有其它的异常，包括中断和fault，通通屏蔽。它的缺省值也是0，表示没有关异常。主要用于操作系统。BASEPRI 这个寄存器最多有9位（由表达优先级的位数决定）它定义了被屏蔽优先级的阈值。当它被设成某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都被关

8、（优先级号越大，优先级越低）但若被设成0，则不关闭任何中断，0也是缺省值。2.4 寄存器组寄存器组l控制寄存器控制寄存器位功能CONTROL1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在线程级可以使用PSP。在handler模式下，只允许使用MSP，所以此时不得往该位写1。CONTROL00=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。2.5 操作模式和特权等级操作模式和特权等级l操作模式操作模式lHandler mode：用于进行异常处理：用于进行异常处理lThread mode：用于运行程序：用于运行程序l特权等级特权等

9、级l特权级：异常处理程序和特权程序（操作系统）特权级：异常处理程序和特权程序（操作系统）l用户级：用户应用程序用户级：用户应用程序l无权访问无权访问NVIC，SYSTICK及调试跟踪模块的控制寄存及调试跟踪模块的控制寄存器且无法访问除器且无法访问除APSR外的特殊功能寄存器外的特殊功能寄存器2.5 操作模式和特权等级操作模式和特权等级l合法的模式切换方式2.6 异常、中断和异常向量表异常、中断和异常向量表l中断中断lCPU暂停当前程序，暂停当前程序，处理某一发生的事件，处理某一发生的事件，处理结束后返回当前处理结束后返回当前程序。程序。lCortex M3的中断的中断l240个可屏蔽中断个可屏

10、蔽中断l异常号异常号16-255l异常异常lCPU暂停当前程序，处理暂停当前程序，处理某一发生的事件或错误，某一发生的事件或错误，处理结束后返回当前程序处理结束后返回当前程序或进行其他操作。或进行其他操作。lCortex M3的异常的异常l共共11个异常个异常l空异常（空异常（MSP初值）初值）l复位复位lNMI不可屏蔽中断不可屏蔽中断lP28表表2-42.6 异常、中断和异常向量表异常、中断和异常向量表lNVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）l嵌套向量中断控制器嵌套向量中断控制器l可嵌套的中断支持（基于优先级）可嵌套的中断支持（基于优先级）l向量

11、中断支持（基于向量表）向量中断支持（基于向量表）l动态优先级调整支持动态优先级调整支持l中断延迟大大缩短（自动现场保护和恢复）中断延迟大大缩短（自动现场保护和恢复）l中断可屏蔽中断可屏蔽2.6 异常、中断和异常向量表异常、中断和异常向量表异常类型异常类型表项表项地址偏移量地址偏移量异常向量异常向量00 x00MSP 的初始值的初始值10 x04复位复位20 x08NMI30 x0C硬硬fault40 x10MemManage fault50 x14总线总线 fault60 x18用法用法 fault7 100 x1c 0 x28保留保留110 x2cSVC120 x30调试监视器调试监视器13

12、0 x34保留保留140 x38PendSV150 x3cSysTick160 x40IRQ #0170 x44IRQ #118 2550 x48 0 x3FFIRQ #2 #2392.7 存储器映射存储器映射I CodeD Code系统总线AHB外设总线APB低地址32MB位带区2.8 调试支持调试支持l入侵式调试l停机以及单步执行程序l硬件断点l断点指令（BKPT）l数据观察点，作用于单一地址、一个范围的地址，以及数据的值。l访问寄存器的值（既包括读，也包括写）l调试监视器异常l基于ROM 的调试l非入侵式调试l在内核运行的时候访问存储器l指令跟踪，需要通过可选的嵌入式跟踪宏单元（ETM）l数据跟踪l软件跟踪（通过ITM（指令跟踪单元）l性能速写（profiling）（通过数据观察点以及跟踪模块）2.8 调试支持调试支持l基于CoreSight的调试访问接口（DAP）l总线接口：可以访问寄存器和存储器l调试端口lSWJ-DP：JTAG及串行调试协议lSW-DP：串行调试协议lJTAG-DP：ARM CoreSight JTAG调试端口DP调试访问接口DAP内核Cortex-M3小结小结l2.1 ARM Cortex-M3简介（简介（框图，各主模块基本功能框图，各主模块基本功能）l2.2