ARM CORTEX-M3 內(nèi)核架構(gòu)理解歸納

1、寄存器組2、地址功能劃分映射3、中斷機(jī)制（NVIC）。

1）寄存器組

Cortex-M3內(nèi)核共有19組32位寄存器：

R0——R12（通用寄存器）；

低寄存器組R0——R7

32位Thumb-2指令與16位Thumb指令均可訪問

高寄存器組R8——R12

32位Thumb-2指令與極少數(shù)16位Thumb指令可訪問

R13（堆棧指針寄存器）；

主堆棧寄存器MSP（main-SP）/進(jìn)程堆棧寄存器PSP（Process-SP）同一時間只能使用其中一個。MSP供操作系統(tǒng)內(nèi)核及中斷（異常）處理子程序使用，PSP只供用戶的應(yīng)用程序代碼使用（詳細(xì)使用詳見3、嵌套向量中斷控制器（NVIC）的總結(jié)）。

堆棧指針是4字節(jié)對齊的，故最低兩位永遠(yuǎn)是00；

R14（連接寄存器）

用于存儲程序返回的地址及PC的返回地址；

R15（程序寄存器）指向當(dāng)前程序執(zhí)行的地址；

2）特殊功能寄存器組

xPSR（程序狀態(tài)字寄存器組），32位，可分為三個寄存器分別進(jìn)行訪問，也可以PSR或xPSR的名字直接組合訪問。

應(yīng)用程序PSR(APSR)

中斷號PSR(IPSR)

執(zhí)行PSR (EPSR)

中斷屏蔽寄存器

PRIMASK單一比特位，置位后，除NMI與硬fault外，其他中斷都不響應(yīng)；

FAULTMASK單一比特位，置位后，除NMI外，其他中斷都不響應(yīng)；

BASEPRI共有9位，中斷號小于等于該寄存器設(shè)置值的中斷都不響應(yīng)；

控制寄存器control

Control[0]0決定特權(quán)級線程模式；1用戶級線程模式；

Control[1]0主堆棧；1進(jìn)程堆棧；

控制寄存器只能在特權(quán)級模式下改寫，handler模式永遠(yuǎn)是特權(quán)級，且只允許使用主堆棧MSP

復(fù)位后，處理器進(jìn)入特權(quán)級+線程模式下；

2、地址功能劃分映射

Cortex-m3是一個32位處理器，其地址總線、數(shù)據(jù)總線都是32位的，故可在4G的地址范圍上資源尋址。Cortex-m3內(nèi)核把4G空間劃定了基本的框架，定義不同的使用用途。

0x0000 0000 ----0x1FFF FFFF (512MB)該區(qū)域為code區(qū)（flash區(qū)），供指令總線與數(shù)據(jù)總線取指取數(shù)使用；可以執(zhí)行指令；

0x2000 0000 ----0x3FFF FFFF (512MB)該區(qū)域為片上SRAM區(qū)，芯片制造商可在此布設(shè)RAM，可以將代碼復(fù)制到此處運行，該區(qū)域也是可以執(zhí)行指令code的；低1MB空間可位尋址，通過位帶別名可擴(kuò)展為32Mb的位尋址。

0x4000 0000 ----0x5FFF FFFF (512MB)該區(qū)域為“片上外設(shè)”區(qū) ，主要為片上外設(shè)的相關(guān)寄存器，即特殊功能寄存器區(qū)，同理低1MB也可位尋址；該區(qū)域不可執(zhí)行代碼；

0x6000 0000 ----0x9FFF FFFF（1G）該區(qū)域為片外RAM區(qū)，該區(qū)域可執(zhí)行代碼；

0xA000 0000 ----0xDFFF FFFF（1G）該區(qū)域為片外外設(shè)區(qū)，該區(qū)域不可執(zhí)行代碼；

0xE000 0000 ----0xFFFF FFFF（1G）該區(qū)域為系統(tǒng)區(qū)，該區(qū)域不可執(zhí)行代碼；

所以不同地址片段的起始地址可簡記為：0，2,4,6,10，E，

該系統(tǒng)區(qū)又分為兩部分：

內(nèi)部私有外設(shè)區(qū)0xE000 0000 ----0xE003 FFFF（256KB）主要有NVIC,FPB,DWT，ITM等

外部私有外設(shè)區(qū)0xE004 0000 ----0xE00F FFFF（512+256=768KB）有ROM表，ETM,TPIU等

數(shù)據(jù)的大小端模式：CM-3既支持大端模式也支持小端模式，其中對于大端模式，ARM7中使用的是字不變大端模式，CM3中則為字節(jié)不變大端模式。雖說大小端模式都支持，但依然建議在絕大多數(shù)情況下使用小端模式，如果一些外設(shè)是大端模式，可以通過REV/REVH指令便可輕松完成端模式的轉(zhuǎn)換。

3、中斷機(jī)制（NVIC）

既然稱之為MCU而非MPU，那么就是以控制為主，控制的一個關(guān)鍵指標(biāo)就是實時性，能夠及時對變化的情況作出反應(yīng)，而這主要是通過中斷機(jī)制來完成的，可以說除卻運算性能，cortex-M3內(nèi)核的主要修為都體現(xiàn)在控制的實時性上——也即中斷的即時響應(yīng)機(jī)制。

CM3對中斷是怎么定義的呢？

一個是CM3內(nèi)核異常導(dǎo)致當(dāng)前運行程序的中斷，一個是外部事件引入導(dǎo)致的。

系統(tǒng)異常主要是CM3內(nèi)核層面的，復(fù)位，NMI，硬fault，這三者優(yōu)先級固定且最高，此外還有總線fault、內(nèi)存管理fault、用法fault等，svc系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)、systick等的優(yōu)先級可以通過編程來設(shè)定；這些都放在一個向量表里，存儲的是中斷服務(wù)函數(shù)的入口地址，32位，共256項，前16個是系統(tǒng)內(nèi)的中斷，除去保留位，系統(tǒng)中斷共有16-5-1=10個，剩余240個外部中斷IRQ，其中有三個的優(yōu)先級是固定的：復(fù)位，NMI，硬fault，中斷號分別為-3，-2，-1，中斷號越小，優(yōu)先級也就越高，其他優(yōu)先級都是可編程的。此外，對于復(fù)位啟動過程，M3內(nèi)核的MCU與傳統(tǒng)的單片機(jī)復(fù)位是不一樣的，傳統(tǒng)的單片機(jī)是直接從地址0處開始運行，然后再執(zhí)行地址0處的跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到設(shè)定的程序起始段；而CM3復(fù)位后首先是在地址零處0x0000 0000取出主堆棧MSP的初始值，（因為CM3的堆棧是向下生長型的，所以這個初始值一般設(shè)為RAM區(qū)的末地址+1，以保證堆棧足夠大，再啰嗦下，比方說RAM區(qū)為0x2000 0000——0x3FFF FFFF那么初始值就設(shè)置為0x4000 0000）；然后通過復(fù)位中斷號找到存放復(fù)位程序入口地址的地址單元（0x00000004），地址單元（0x00000004）存放著第一條指令執(zhí)行的地址（0x0000 0100）并賦給PC，PC就從這個地址里存放的指令依次執(zhí)行。關(guān)于指令執(zhí)行的地址需要嚴(yán)重關(guān)切：CM3運行在thumb狀態(tài)，所以加載到PC中的值的最低位LSB必須置1，以區(qū)別ARM狀態(tài)（ARM為偶數(shù)），所以若想指向0x0000 0100的地址值，中斷向量表中存的復(fù)位程序入口地址應(yīng)為0x0000 0101，用0x0000 0101表示0x0000 0100，這里不要把存儲數(shù)據(jù)的地址和PC的指向地址搞混，只有PC的執(zhí)行地址LSB不能等于0，其他總線訪問地址則沒有此限制。（為了把問題解釋清楚，啰嗦的我自己都受不了了）為什么要首先初始化堆棧MSP呢？因為在復(fù)位的過程中也可能發(fā)生中斷，例如NMI，硬fault等。

中斷從發(fā)生到結(jié)束主要需要經(jīng)過以下這么幾個步驟：1捕獲并響應(yīng)中斷，2現(xiàn)場保護(hù)，3中斷程序入口，4返回。下面就根據(jù)這個脈絡(luò)來總結(jié)cortexM3在提高中斷響應(yīng)速度方面所涉及的重要知識點（這個講解順序針對已具備一定的基礎(chǔ)人員）：

說到中斷必涉及到優(yōu)先級、涉及到嵌套，在CM3中用8位來編程中斷的優(yōu)先級數(shù)，可實現(xiàn)256級優(yōu)先級，其中這8位又分為兩段，一段決定搶占優(yōu)先級的級數(shù)，一個決定亞優(yōu)先級的級數(shù)，其中規(guī)定搶占優(yōu)先級不得少于3位（8級優(yōu)先級），亞優(yōu)先級最少不得少于1位，所以搶占優(yōu)先級在M3中最多128級，在哪一位開始分組由NVIC中的寄存器中（應(yīng)用程序中斷及復(fù)位控制寄存器）的PRIGROUP來決定；但實際中，芯片制造商一般只使用最高幾位，比如5位，高三位（7,6,5）編程搶占優(yōu)先級，剩下的兩個次高位（4,3）用來決定亞優(yōu)先級，從第4位處作為亞優(yōu)先級的分組，這里通過一個分組寄存器來決定從哪一位做亞優(yōu)先級分組。

優(yōu)先級確定好了，那么在眾多不同優(yōu)先級的中斷面前，CM3又是以什么樣的機(jī)制來提高響應(yīng)速度的呢？這就需要表一表在響應(yīng)之前，處理器必須要做的工作——現(xiàn)場保護(hù)即保護(hù)當(dāng)前的程序運行環(huán)境，依次入棧以下8個寄存器：程序狀態(tài)寄存器XPSR，程序計數(shù)器PC，返回地址寄存器LR（連接寄存器），R12，R0——R3，這些都是硬件自動完成的。如果當(dāng)前正在使用堆棧，則壓入相應(yīng)的堆棧寄存器MSP/PSP值，當(dāng)前在用PSP就壓入PSP，反之則壓入MSP,進(jìn)入中斷服務(wù)程序就將一直用MSP了；好了，請注意，提高中斷的響應(yīng)速度就在這些寄存器的入棧順序上，我們知道，堆棧是建立在片上RAM中的，通過系統(tǒng)總線（system code）來操作（為什么要建立在RAM上，因為堆棧需要不停地做出棧、入棧等動作，需要不斷改變存儲的值，而flash或rom只在燒寫的時候?qū)懭霐?shù)據(jù)），指令是存放在flash中的即code區(qū)通過指令總線（code bus）來操作，所以在入棧的時候先壓入xPSR的值，再壓入PC的值，壓入PC的值后，就可以通過指令總線，根據(jù)中斷向量號取出中斷服務(wù)函數(shù)的地址賦給PC新的指令地址，進(jìn)行指令的預(yù)取，而堆棧仍然可以通過系統(tǒng)總線繼續(xù)壓入其他寄存器的值，與取指令操作并行不悖，互不干擾，加快了中斷的響應(yīng)速度。相關(guān)寄存器可查詢權(quán)威手冊。

在響應(yīng)中斷前所做的準(zhǔn)備工作都做好了，那么當(dāng)眾多中斷前來叫門時，應(yīng)該如何以最短的延時處理一系列的中斷呢？第一級中斷自不必說，根據(jù)中斷號來進(jìn)行仲裁，當(dāng)發(fā)生中斷嵌套的時候，CM3中的一些響應(yīng)機(jī)制就能加快整個中斷響應(yīng)過程的速度了，低優(yōu)先級由于高優(yōu)先級中斷的搶占而處于掛起狀態(tài)，當(dāng)高優(yōu)先級中斷處理完畢，按照傳統(tǒng)的嵌套中斷處理流程，高優(yōu)先級中斷處理完成后應(yīng)該出棧彈出內(nèi)容，然后再入棧壓入先前彈出的內(nèi)容，再處理被掛起的低優(yōu)先級中斷，按書中所說，這就是砸鍋煉鐵再鑄鍋的過程，完全沒有必要，于是CM3內(nèi)核在處理一系列嵌套的中斷時，總共只執(zhí)行一次入棧，出棧工作，這樣處理連續(xù)的幾個嵌套中斷時，就減少了很多環(huán)節(jié)，縮短了時間，尤其是嵌套級別計較深的時候，尤為明顯。但是要注意的是：不要嵌套太深，因為每嵌套一級就至少入棧8個32位的寄存器值（32B），如果本身就是中斷進(jìn)程，當(dāng)前代碼正在使用堆棧，還要將堆棧的值再入棧，這樣無疑加大了堆棧的存儲壓力，如果用穿堆棧，發(fā)生溢出，程序十有八九就跑飛了，是很危險的，所以在應(yīng)用中，要盡量減小中斷的嵌套深度。

之前的中斷響應(yīng)機(jī)制發(fā)生在高級中斷打斷低優(yōu)先級中斷完成響應(yīng)之后，譯者將其名曰：咬尾中斷；下面的中斷則發(fā)生在高優(yōu)先級中斷打斷低優(yōu)先級中斷準(zhǔn)備響應(yīng)之時，當(dāng)高優(yōu)先級中斷還沒來的時候，低優(yōu)先級中斷已經(jīng)把前期準(zhǔn)備工作給做完了，這時候高優(yōu)先級中斷來了，那么此時高優(yōu)先級中斷會直接利用低優(yōu)先級中斷的前期工作成果，直接開始響應(yīng)，進(jìn)入服務(wù)中斷服務(wù)程序，而之前的低級中斷則被迫掛起，為別人做嫁衣了，沒辦法，內(nèi)核就是這樣規(guī)定的，譯者將其譯為“晚到（的高優(yōu)先級）異常”我將其名為“后來居上”中斷。

中斷延遲時間：從檢測到中斷，到執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第一條指令，其間所流逝的時間。

書中云：如果存儲系統(tǒng)足夠快，入棧與取指令可以分別進(jìn)行，且中斷可以即刻得到響應(yīng)不被搶占，那么所耗費的時間就是固定的12個周期（滿足硬實時要求的確定性）。如果多級嵌套中斷響應(yīng)，算上咬尾中斷省去的出入棧時間，每個中斷可減少至6個周期。

最后再說說異常即fault，內(nèi)核活動層面的東西，這個本應(yīng)是需要大書特書的東西，尤其是在調(diào)試程序的時候找bug上，是體現(xiàn)一個人技能水平的很重要的方面，但是限于時間與研究深度，暫時不深究了，

就一句話吧：運行時出現(xiàn)的系統(tǒng)錯誤有時候不是編程上的語法錯誤，如果不了解內(nèi)核架構(gòu)和一些使用準(zhǔn)則，是很難發(fā)現(xiàn)bug在哪里，這就需要追溯到底是程序運行到哪里出了問題，導(dǎo)致內(nèi)核運行出現(xiàn)了錯誤，得益于CM3完備的調(diào)試架構(gòu)，很多fault的產(chǎn)生都會被監(jiān)測到，并記錄在對應(yīng)的寄存器中，按圖索驥就知道問題出在哪里，是哪條指令導(dǎo)致的，借此針對性的自查、分析、修改。

下面將結(jié)合上面的內(nèi)核架構(gòu)以及內(nèi)核運行機(jī)制，針對具體的基于cortex—M4內(nèi)核（M4比M3內(nèi)核多了DSP與FPU）的STM32F407芯片，進(jìn)行硬件資源的對比。