ARM Cortex-M4微处理器

只看该作者 · 2023-7-30 16:26

写在前面
本系列学习主要参照了王宜怀老师主编，清华大学出版社出版的《嵌入式技术基础与实践（第六版）》一书，有兴趣的可以自行购买，正版书籍附赠开发版供实验所需

ARM Cortex-M4微处理器简介
ARM Cortex-M4微处理器内部结构概要
具体介绍请参考书籍

位数
Cortex-M4系列处理器为32位处理器，内部存储器，数据总线均为32位，采用Thumb-2技术，同时支持16位与32位指令

总线结构
采用哈佛架构（感兴趣可以自行查阅），统一的存储空间编址，32位寻址，最多支持4GB的存储空间；三级流水线设计；片上接口基于AMBA架构

中断控制
采用了集成嵌套向量中断控制器（NVIC），支持8~256个中断优先级，最多240个中断请求

存储器保护
可选的MPU

低功耗
多种低功耗特性和休眠模式

内部寄存器
M4微处理器的寄存器包含用于数据处理与控制的寄存器、特殊功能寄存器与浮点寄存器。特殊功能寄存器有预定义的功能，必须通过专用指令来访问。

寻址方式与机器码获取方法

CPU可以执行特定功能的操作命令被称为指令
CPU所能执行的各种指令的集合，成为该CPU的指令系统

指令保留字简表与寻址方式

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指令保留字简表
其他指令请查阅《ARM v7-M 参考手册》

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寻址方式
立即数寻址
操作数直接通过指令给出。用“#”作为立即数的前导标识符。M4微处理器的立即数范围是0x00~-0xFF。例如：

MOV R0, # 0xFF //立即数0xFF装入R0寄存器
SUB R1, R0, # 1 //R1←R0 - 1

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寄存器寻址
操作数来自寄存器。例如：

MOV R0, R1 //将R1寄存器内容装入R0寄存器

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直接寻址
操作数来自存储单元，指令中直接给出存储单元地址。指令码中显示给出数据的位数，如：字、半字、单字节。例如：

LDR Rt, label //从标号label处连续读取4字节到寄存器中
LDRH Rt, label //从地址label处读取半字到Rt中
LDRB Rt, label //从地址label处读取字节到Rt中

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偏移寻址及寄存器间接寻址
偏移寻址的操作数来自存储单元，指令中通过寄存器及偏移量给出存储单元的地址。偏移量不超过4KB。偏移量为0的偏移寻址也成为寄存器间接寻址。例如：

LDR R3, [PC, # 100] //从地址（PC+100）处读取4字节到R3中
LDR R3, [R4] //以R4中内容为地址，读取4字节到R3中

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机器的指令码
运行源文件
利用开发环境打开工程…\CH02-1。测试代码如下：

Label：
MOV R0, # 0xDE
LDR R0, = data_format1
LDR R1, = Label
LDR R2, [R1]
BL printf

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执行结果如下图：

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执行程序所获得的信息
从上图现实的内容可以看出，标号代表的地址为0900D87E，这就是指令MOV R0，# 0xDE机器码要存放的开放地址，各地址存储内容如下表：

STM32数据存储采用的是小段模式，即将2个字节以上的一个数据的低字节放在存储器低地址单元，高字节放在高地址单元。

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基本指令分类解析
数据传送类指令
有两种情况：一是取存储器地址空间中的数传送到寄存器中，二是将寄存器中的数传送到另一寄存器或存储器地址空间中

取数指令

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存数指令
Rt，Rn，Rm必须为R0~R7中的一个

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寄存器间数据传送指令

其他指令请参考书籍，在此不再罗列

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汇编语言的基本语法
汇编语言源程序以行为单位进行设计，每行最多可以包含一下4部分

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汇编语言的格式
标号
如果一个语句有标号，则标号必须书写在汇编语句的开头部分
可以组成标号的字符有字母A ~ Z、 a ~ z、数字0 ~ 9、下划线（_），美元符号（$），但开头的第一个符号不能为数字和 $
编译器对标号中字母的大小写敏感，但指令不区分大小
标号长度基本不受限制，但实际使用时通常不超过20个字符。
标号后必须带冒号（:）
一个标号在一个文件（程序）中只能被定义一次，否则出现重复定义，不能通过编译
一行语句只能有一个标号，编译器将把当前程序计数器的值赋给该标号

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操作码
操作码包括指令码和伪指令。
对于有标号的行，必须至少用一个空格或制表符将标号与操作码隔开；对于没有标号的行，不能从第一列开始写指令码，应以空格或制表符开头。

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操作数
操作数可以使地址，标号或指令码定义的常数，也可以是有伪运算符构成的表达式。
如果一条指令或伪指令有操作数，则操作数与操作码之间必须用空格隔开书写。操作数多于一个的，操作数之间用逗号分隔。操作数也可以是M4内部寄存器，或者另一条指令的特定参数。
操作数一般都有一个存放结果的寄存器，这个寄存器在操作数的最前面

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1、常数标识
编译器识别的常数有十进制、十六进制（0x）、二进制（0b）

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2、“#”表示立即数
一个常数前添加“#”表示一个立即数；不加“#”时，表示一个地址。

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3、圆点
如果圆点（.）单独出现在语句操作码之后的操作数位置上，则代表当前程序计数器的值被放置在圆点的位置。

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4、伪运算符
略。详情请查阅资料