初探Cortex-M3

Cortex-M3

初探CM3

ARM Cortex-M3处理器，Cortex系列的处女作。

招牌功夫：

1. 性能强劲
2. 功耗低
3. 实时性好，能够极速地响应中断，而且响应中断所需的周期数是确定的
4. 代码密度得到很大改善
5. 使用更方便
6. 低成本的整体解决方案
7. 遍地开花的优秀开发工具

基于从ARMv6开始的新设计理念，ARM进一步扩展了它的CPU设计，ARMv7架构闪亮登场，内核架构首次从单一款式变成3种款式。

• 款式A：设计用于高性能的“开放应用平台”
• 款式R：用于高端的嵌入式系统，尤其是那些带有实时要求的——又要快又要准时
• 款式M：用于深度嵌入的，单片机风格的系统中

到了架构7时代，ARM改革了一度使用的，冗长的、需要“解码”的数字命名法，转到另一种看起来比较整齐的命名法。比如，ARMv7的三个款式都已Cortex作为主名。这不仅更加澄清并且精装了所使用的ARM架构，也避免了新手对架构号和系列号的混淆。例如。ARM7TDMI并不是一款v7的产品，而是辉煌起点——v4T架构的产品。

指令系统的开发

由于历史原因（从ARM7TDMI开始），ARM处理器一直支持两种形式上相对独立的指令集。

• 32位的ARM指令集，对应处理器的状态：ARM状态

• 16位的Thumb指令集。对应处理器的状态：Thumb状态

  程序执行过程中，处理器可以动态地在两种执行状态之中切换。

Cortex-M3将自己的处理能力以身相许般地全托给Thumb-2指令集，这见证了Cortex-M3的用情专一。

这也意味着Cortex-M3不是向后兼容的。因此为ARM7写的ARM汇编语言不能直接移植到CM3上。

说了这么多，我们可以看看CM3处理器的舞台。

• 汽车电子，CM3处理器支持多达240个外部中断。
• 数据通信
• 工业控制
• 消费类产品

Cortex-M3是一个32位处理器内核。

采用哈佛结构，有独立的指令总线和数据总线。

但是，指令总线和数据总线共享同一个存储器空间（一个统一的存储器系统）

CM3中，小端模式和大端模式都是支持的。

寄存器组

CM3拥有R0-R15的寄存器组。R13作为堆栈指针SP。SP有两个，但是同一时刻只能看到一个。

1. R0-R12

   1. 32位通用寄存器，用于数据操作
   2. 绝大多数16位Thumb指令只能访问R0-R7
   3. 32位Thumb-2指令可以访问所有寄存器

2. Banked R13

   1. 两个堆栈指针，任意时刻只能使用其中一个
   2. 主堆栈指针(MSP)：用于操作系统内核以及异常处理例程
   3. 进程堆栈指针（NSP）：由用户的应用程序代码使用
   4. 堆栈指针的最低两位永远是0，这意味着堆栈总是4字节对齐的。

3. R14

   1. 连接寄存器
   2. 呼叫一个子程序时，由R14存储返回地址

4. R15

   1. 程序计数寄存器
   2. 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（很多高级技巧就在这）

5. 特殊功能寄存器

   CM3在内核水平上搭载了若干特殊功能寄存器

   包括

   • 程序状态字寄存器组（PSRs） ：记录ALU标志，执行状态，以及当前正在服务的中断号
   • 中断屏蔽寄存器组（PRIMASK,FAULTMASK,BASEPRI）
   • 控制寄存器（CONTROL）

操作模式和特权级别

操作模式：

• handle mode
• thread mode

特权分级：

• 特权级
• 用户级

从用户级到特权级的唯一途径就是异常

总线接口

CM3内部由若干总线接口，以使CM3能同时取址和访内。

• 指令存储区总线（两条）
  • I-code
  • D-code
• 系统总线
  • 用于访问内存和外设
• 私有外设总线
  • 负责一部分私有外设的访问

指令集

Cortex-M3只使用Thumb-2指令集的一个子集，允许32位指令和16位指令水乳交融，代码密度与处理性能两手抓

中断和异常

CM3的所有中断机制都有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，可以实现fault管理机制。