cortex.md · yj490732088/embedded-notes

# 目录
* [arm内核发展历史](#arm内核发展历史)
* [cortexM0系列芯片系统框图](#cortexM0系列芯片系统框图)
* [通用寄存器](#通用寄存器)
* [m0特殊寄存器](#m0特殊寄存器)
* [m3/m4/m7特殊寄存器](#m3/m4/m7特殊寄存器)
    * [MSP和PSP](#MSP和PSP)
    * [xPSR](#xPSR)
    * [PRIMASK](#PRIMASK)
    * [CONTROL](#CONTROL)
    * [FAULTMASK](#FAULTMASK)
    * [BASEPRI](#BASEPRI)
* [栈空间操作](#栈空间操作)
* [异常和中断](#异常和中断)
    * [系统异常](#系统异常)
* [NVIC可嵌套向量中断控制器](#NVIC可嵌套向量中断控制器)
* [系统操作寄存器](#系统操作寄存器)
    * [NVIC寄存器](#NVIC寄存器)
    * [系统控制块SCB寄存器](#系统控制块SCB寄存器)
    * [SysTick寄存器](#SysTick寄存器)
* [cortex-m0启动流程](#cortex-m0启动流程)
* [中断向量表](#中断向量表)
* [大小端](#大小端)
* [堆栈](#堆栈)
    * [压栈的寄存器](#压栈的寄存器)
* [杂项指令集](#杂项指令集)
* [M0/M3/M4/M7区别](#M0/M3/M4/M7区别)
* [M3系统框图](#M3系统框图)
* [M3快速开关中断汇编指令](#M3快速开关中断汇编指令)
* [M3内核CONTROL寄存器](#M3内核CONTROL寄存器)
* [异常和中断](#异常和中断)
* [MPU存储器保护单元](#MPU存储器保护单元)

## 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|

## cortexM0系列芯片系统框图
![M0系统框图](res/cortex-m0系统框图.png)
系统中包括：
* 中断控制器
* M0内核
* AHB总线
* 存储器和外设
* 电源管理
* 时钟树
* 调试系统

## 通用寄存器
<table>
    <tr>
        <td>R0</td>
        <td>R1</td>
        <td>R2</td>
        <td>R3</td>
        <td>R4</td>
        <td>R5</td>
        <td>R6</td>
        <td>R7</td>
        <td>R8</td>
        <td>R9</td>
        <td>R10</td>
        <td>R11</td>
        <td>R12</td>
    </tr>
</table>

## m0特殊寄存器
<table>
    <tr>
        <td>SP(R13)</td>
        <td>LR(R14)</td>
        <td>PC(R15)</td>
        <td>CONTROL</td>
        <td>xPSR</td>
        <td>PRIMASK</td>
    </tr>
</table>

## m3/m4/m7特殊寄存器
<table>
    <tr>
        <td>SP(R13)</td>
        <td>LR(R14)</td>
        <td>PC(R15)</td>
        <td>CONTROL</td>
        <td>xPSR</td>
        <td>PRIMASK</td>
        <td>FAULTMASK</td>
        <td>BASEPRI</td>
    </tr>
</table>

### 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
1. 程序从0x00000000地址开始执行
2. m0从程序bin文件的开始处第2个word运行reset_handler
3. 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）
4. 跳转到main函数中

## 中断向量表
<table>
    <tr><td>sp指针</td></tr>
    <tr><td>resetHandler地址</td></tr>
    <tr><td>NMIHandler地址</td></tr>
    <tr><td>hardfault地址</td></tr>
    <tr><td>reserved</td></tr>
    <tr><td>systickHandler地址</td></tr>
    <tr><td>......</td></tr>
</table>

## 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

## 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)

|特性|M0|M3|M4|M7|
|-|-|-|-|-|
|basepr|||||

## M3系统框图
![M3系统框图](res/cortex-m3系统框图.png)

## 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|由于程序错误导致的异常。通常是使用了一条无效指令,或者是非法的状态转换,例如尝试切换到 ARM 状态
|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 |外中断#0|
|17 |IRQ |#1 |可编程 |外中断#1|
|... |... |... |... |
|255 |IRQ |#239 |可编程 |外中断#239|

## 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)。

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