Cortex-M3和M4 架构

Cortex-M3和M4都基于ARMv7-M架构，在一般的应用中使用Cortex-M3和M4微控制器，无需了解架构的详细内容，只需要对编程模型、异常处理、存储器映射、外设使用及软件驱动库文件使用等方面做个了解即可。

Cortex-M3和M4处理器有两种操作状态和两个模式，另外还可以区分特权和非特权访问等级。如下图所示。

特权访问等级可以访问处理器中的所有资源，而非特权访问等级则意味着有些存储器区域时不能访问的，有些操作也时无法使用的，非特权访问等级还可被称作用户状态。

操作状态分为：

• 调试状态：当处理器被暂停(如通过调试器触发断点)后，就会进入调试状态，并停止指令执行。
• Thumb状态：当处理器在执行程序代码，就处于Thumb状态。由于Cortex-M处理器不支持ARM指令集，因此ARM状态并不存在。
  

操作模式分为：

• 处理模式：执行中断服务程序(ISR)等异常处理，在处理模式下，处理器总是具有特权访问等级。
• 线程模式：在执行普通的应用程序代码时，粗粝其可以处于特权访问等级，也可以处于非特权访问等级，实际的访问等级由特殊寄存器CONTROL控制。
  

软件可以将处理器从特权模式切换到非特权模式，但是无法将自身从非特权模式切换到特权模式，这种操作需要借助于系统异常机制。

Cortex-M处理器在启动后默认处于特权线程模式以及Thumb状态。对于简单的应用，非特权线程模式和影子SP可能不会用到，如下图所示。Cortex-M处理器不支持非特权线程模式，不过在Cortex-M0+上是可选的。

调试状态仅用于调试操作，可以通过两种方式进入调试状态：

• 调试器发起暂停请求
• 处理器中的调试部件产生调试事件
  

在此状态下，调试器可以访问或修改处理器寄存器的数值，无论在Thumb状态还是调试状态，调试器都可以访问处理器内外的外设等系统存储器。

Cortex-M3和M4处理器在内核中由多个执行数据处理和控制的寄存器，这些寄存器大都以寄存器组的方式进行了分组。每个数据处理指令都指定了所需的操作和源寄存器，若需要，还有目的寄存器。对于ARM架构，若处理的是存储器中的数据，需要将其从存储器加载到寄存器组中的寄存器里，在处理器内处理完成后，若由必要，还要写回存储器中，这种方式称为 加载-存储架构。由于寄存器组中由丰富的寄存器，这种设计使用起来非常方便，而且可以用C编译器生成高效的程序代码。

Cortex-M3和M4处理器的寄存器组中有16个寄存器，其中13个为32位通用寄存器，其他3个为特殊用途。
如下图所示：

寄存器具体的使用说明参考文章：《ARM-THUMB子程序调用规则-ATPCS》

除了寄存器组中的寄存器外，处理器中还存在多个特殊寄存器，这些寄存器用于表示处理器状态、定义了操作状态和中断异常屏蔽，如下图所示：

在使用C语言编程开发简单的应用时，一般不会去访问这些寄存器，在开发嵌入式OS或者需要高级的中断屏蔽特性(如进入临界区等)时，需要访问它们。

特殊寄存器未经过存储器映射，可以使用MSR和MRS等特殊寄存器访问指令来进行访问。

CMSIS-Core也提供了几个用于访问特殊寄存器的C函数，记得不要把特殊寄存器和其他控制器架构的特殊功能寄存器(SFR)搞混乱了，这个一般指的是用于I/O控制的寄存器。

程序状态寄存器包括下面三个状态寄存器：

• 应用PSR (APSR)
• 执行PSR (EPSR)
• 中断PSR (IPSR)
  

这三个寄存器可以通过一个组合寄存器访问,叫做xPSR。ARMv7-M架构中各个PSR的定义，如下图所示：

ARM其他架构的PSR定义如下：

程序状态寄存器的位域定义如下：

对于ARM汇编器，在访问xPSR时，使用PSR，如下代码所示：

也可以单独访问单个PSR，如下所示：

注意：

• 软件代码无法直接使用MSR或MRS来直接访问EPSR。
• IPSR为只读的，可以从PSR(xPSR)中读出
  

PRIMASK、FAULTMASK 和 BASEPRI 寄存器都用于异常或中断屏蔽，每个异常或中断都具有一个优先级，数值小的优先级高，数值大的优先级低。这些寄存器可以基于优先等级屏蔽异常，只有在特权访问等级才可以对它们进行操作，非特权状态下，写操作会被忽略，读操作会返回0。默认值全部为0，也就是中断屏蔽不起作用，寄存器的编程模型如下图：

PRIMASK寄存器为1位宽的中断屏蔽寄存器，在置位时，它会阻止不可屏蔽中断和HardFault异常之外的所有异常及中断。实际上，它是将当前异常优先级提升为0，也就是最高优先级。常见用途为在时间要求严格的进程中禁止所有中断，在进程完成后，将PRIMASK清除重新使能中断。

FAULTMASK 和 PRIMASK的用途相似，不过它还能屏蔽HardFault异常，也就是说它将异常的优先级提高到了-1。异常处理代码可以使用FAULTMASK以免在Fault处理期间引发其他的Fault。与PRIMASK不同之处在于，FAULTMASK在异常返回时被自动清除。

ARMv7-M架构还支持BASEPRI，使得中断屏蔽更灵活，这个寄存器可以根据优先级屏蔽异常或中断。BASEPRI的宽度一般位3或者4位，这样就有8或16个编程的异常优先级。BASEPRI为0时，不起作用，为非0值时，它会屏蔽具有相同优先级或者更低优先级的异常及中断，而更高优先级的还可以被处理器接受。常见的应用为OS的临界区。

CMSIS-Core提供了多个C函数用于访问PRIMASK、FAULTMASK 和 BASEPRI寄存器，注意，这些寄存器只能在特权等级下访问：

还可以使用汇编代码访问这些寄存器：

也可以使用修改处理器状态指令，快速地设置或清除PRIMASK和FAULTMASK的值：

CONTROL寄存器结构如下图所示，定义了：

• 栈指针的选择（MSP/PSP）
• 线程模式的访问等级（特权/非特权）
• 对于具有浮点单元的Cortex-M4处理器，CONTROL还有一位表示当前上下文是否使用浮点单元。
  

复位后，CONTROL寄存器默认为0，这意味着处理器此时处于线程模式，具有特权访问权限以及使用主堆栈指针MSP。通过写CONTROL寄存器，特权线程模式的程序可以切换栈指针的选择或进入非特权访问等级，不过nPRIV置位后，运行在线程模式的程序就不能访问CONTROL寄存器了。如下图所示：

运行在非特权等级的程序无法切回特权访问等级，如果要切换，需要使用异常机制，在异常处理期间，处理程序可以清除nPRIV位，在返回线程模式后，处理器就会进入特权访问等级，如下图所示：

如果使用嵌入式OS，在每次上下文切换的时候，都可以重新编程CONTROL寄存器，以满足不同的应用间不同的特权访问等级需要。

nPRIV和SPESEL的设置共有4中组合方式，其中3中比较常见，如下图：

对于未使用嵌入式OS的多数简单应用，不需要修改CONTROL寄存器的数值，整个应用可以运行在特权访问等级并且只使用MSP，如下图：

使用C语言访问CONTROL寄存器，可以使用CMSIS的设备驱动库提供的下面函数：

使用汇编访问CONTROL寄存器，可以使用MRS和MSR指令：

可以通过检查CONTROL和IPSR的值来判断当前是否是特权等级：

在修改CONTROL寄存器的值时需要注意：

• 对于具有FPU的Cortex-M4的处理器来说，由于PFU的存在，FPCA会自动置位，如果FPCA位被意外清除，而且接下来产生一个中断，那么程序可能会无法继续正确的处理。
• 修改了CONTROL寄存器后，应使用同步屏障指令（ISB）,在CMSIS驱动库中为ISB()函数，以确保本次修改对接下来的代码能起到作用。
  

Cortex-M4具有可选的浮点单元，提供了浮点数据处理用的一些寄存器以及浮点状态和控制寄存器(FPSCR)，如下图所示：S0~S31 为32位寄存器，每个都可以通过浮点指令访问，或者利用符号 D0~D15成对访问。

由于下面几个原因，FPSCR中包含多个位域，见下图：

• 定义一些浮点运算动作。
• 提供浮点运算结果的状态信息。
  

浮点控制默认被配置为符合IEEE754单精度运算，下表列出了FPSCR的位域描述：

除了浮点单元寄存器组和FPSCR，浮点单元还向系统引入了一些经过存储器映射的寄存器，如用于使能和禁止浮点单元的协处理器访问控制寄存器CPACR，浮点单元默认被禁止以降低功耗，在使用浮点指令前，必须通过CPACR寄存器来使能浮点单元。

在使用CMSIS的设备驱动的C编程环境中：

在汇编环境中,可以使用下面代码:

APSR中包含下面几组状态标志：

• 整数运算的状态标志(N-Z-C-V位)
• 饱和运算的状态标志(Q位)
• SIMD运算的状态标志(GE位)
  

整数状态标志和其他架构中的ALU状态标志类似，受普通数据处理指令的影响，在控制条件跳转和条件执行时很有用。另外，APSR标志之一，也就是C（进位）位，也可用于加法和减法运算中。

Cortex-M处理器中共4个整数标志，如下图所示：

对于ARMv7-M和ARMv7E-M架构，多数的16位指令会影响这4个标志，对于32位指令，指令编码中的一个位定义了是否更新APSR标志，注意，部分指令不会更新V和C标志，如乘法指令MULS只会更新N和Z标志。

除了条件跳转或条件执行，APSR的进位标志也可以用于将加法和减法运算扩大为超过32，如将两个64位的整数相加时，可以将低32位加法运算的进位标志作为高32位加法的一个输入，ARM处理器都具有N-Z-C-V标志。

Q表示饱和算术运算或饱和调整运算过程中产生了饱和，存在于ARMv7-M中，在ARMv6-M,如Cortex-M0中不可用。在该位被设置后，以及软件写APSR清除Q位之前，会一直保持置位状态，饱和算术/调整运算不会清除该位，因此在饱和算术/调整运算流程结束时，利用该位确定是否产生了饱和，而无需在每一步都检查饱和状态。

饱和算术运算对于数据信号处理非常有用，有些情况下，保存计算结果的目的寄存器的位宽可能会不够，导致上溢或下溢。如果使用一般的数据运算指令，结果的MSB会丢失，从而导致结果产生畸变。饱和算术运算并非直接将MSB去掉，而是将结果强制置为最大值或最小值，以降低信号畸变的影响。

触发饱和的最大值和最小值取决于所使用的指令，多数情况下，饱和算术运算的指令的助记符前都导游Q，如QADD16，如果产生了饱和，Q就会置位，否则Q位的数值不变。如下图所示：

在Cortex-M4中，大于等于(GE)位域在APSR中占4位,在Cortex-M3中不存在，许多SIMD指令会更新这个标志，多数情况下，每个位表示SIMD运算的每个字节为正或者溢出，对于16位数据的SIMD指令，第0和1位由低半字的结果控制，第2和3位由高半字的结果控制。如下图所示：

SEL指令会使用GE标志，基于每个GE位复用两个源寄存器的字节数值，在组合使用SIMD指令和SEL指令时，可以在SIMD中建立简单的条件数据选择，以提高性能。

Cortex-M3和M4处理器具有一下存储器系统特性：

• 4GB线性地址空间，通过32位寻址。Cortex-M3和M4处理器用AHB LITE总线协议提供32位总线。
• 架构定义的存储器映射，4GB的存储空间被划分为多个区域，用于预定义的存储器和外设，以优化处理器设计的性能。例如Cortex-M3和M4处理器具有多个总线接口，允许对程序代码用的CODE区域的访问和对SRAM或外设区域的数据操作同时进行。
• 支持小端和大端的存储器系统。
• 位段访问(可选)，当包含位段特性时，存储器映射中的两个1MB区域可以通过两个位段区域进行位寻址，这样可以对SRAM或外设地址空间中单独的位进行原子操作。
• 写缓冲。如对可缓冲的存储器区域的写传输需要花费多个周期，处理器内的写缓冲可以将本次传输缓存起来，处理器继续处理下一条指令，这样可以提高程序的执行速度。
• 存储器保护单元MPU，MPU定义了个存储器区域的访问权限，并且可以进行编程。Cortex-M3和M4处理器的MPU支持8个可编程区域。
• 非对齐传输支持。ARMv7-M架构的所有处理器都支持非对齐传输。
  

Cortex-M处理器的总线接口为通用总线接口，可通过不同的存储器控制器被连接到不同类型和大小的存储器。微控制器存储器系统一般为两种或多种：

• 程序代码用的Flash存储器。
• 数据用的静态RAM(SRAM)。
• 有时还有电可擦出的只读存储器EEPROM。
  

大多数情况下，这些存储器位域芯片内部，软件开发人员只需要了解程序存储器和SRAM的地址和大小即可。

Cortex-M处理器的4GB地址空间被分为多个存储器区域，区域根据各自的典型用法进行划分，主要用于：

• 程序代码访问，如CODE区域
• 数据访问，如SRAM区域
• 外设，如外设区域
• 处理器的内部控制和调试部件，如私有外设总线
  

所有的Cortex-M处理器的存储器映射处理都是一样的，这可以提高不同Cortex-M的设备间软件可移植性及代码可重用性，区域分布如下图所示：

Cortex-M处理器在运行时需要栈存储和栈指针R13，在栈中，存储器的一部分作为后进先出的数据存储缓冲。ARM处理器将系统主存储器用于栈空间操作，使用PUSH指令往栈中存储数据，以及POP指令从栈中提取数据，每次PUSH和POP操作后，栈指针都会自动调整。

栈可用于：

• 当正在执行的函数需要使用寄存器进行数据处理时，临时存储数据的初始值。这些数据在函数结束时可以被恢复出来，以免调用函数的程序丢失数据。
• 往函数或者子函数中的信息传递。
• 存储局部变量。
• 在中断等异常产生时保存处理器状态和寄存器数值。
  

Cortex-M处理器使用的栈模型为满递减，处理器启动后，SP也就是R13被设置为栈存储空间最后的位置，对于每次PUSH操作，处理器首先减小SP的值，然后将数据存储在SP指向的存储器位置。对于POP操作，SP指向的存储器位置的数据先被读出，然后SP的数值自动增大，如下图所示：

PUSH和POP指令最常见用法为，在执行函数或者子程序调用时，保存寄存器组中的内容。在函数调用开始时，有些寄存器的内容可以通过PUSH指令保存在栈中，然后在函数调用结束时，通过POP恢复为他们的初始值。

如下图，一个名为 function1的函数被主程序调用，由于function1在数据处理时需要使用并修改R4、R5和R6，而这些寄存器中的数值在后面还会被主程序用到，因此，他们会被PUSH保存到栈中，并在function1结束时被POP恢复，这样调用函数的程序代码不会丢失任何数据而且可以继续执行。注意，每一个PUSH操作，都有一个POP操作，并且地址是一致的。

每个PUSH和POP指令都可以和栈空间传输多个数据，由于寄存器都是32位的，每个由栈PUSH和POP生成的存储器都会访问至少一个字的数据，而且地址总是对齐到4字节边界上，SP的最低两位地址总是0，如下图所示：

可以将POP和函数返回操作结合在一起，先将LR的值压入栈中，然后在子程序结束时，将其恢复到PC中，如下图所示：

Cortex-M处理器在物理上有两个栈指针：

• 主栈指针MSP，复位后默认使用的栈指针，用于所有的异常处理。
• 进程栈指针PSP，只用于线程模式的栈指针，通常用于运行嵌入式OS的嵌入式系统中的应用任务。
  

MSP和PSP的选择由CONTROL寄存器的第二位SPSEL的数值决定，如果为0，则线程模式在栈操作时使用MSP，否则使用PSP。另外，从处理模式到线程模式的异常返回期间，栈指针的选择可由EXC_RETURN数值巨鼎,这样处理器硬件会自动的更新SPSEL的值。

对于不具有OS的应用，线程模式和处理模式都可以使用MSP，在异常事件产生后，处理器进入中断服务程序前先将多个寄存器压入栈中，这种寄存器状态保存操作称为压栈，在ISR结束后，这些栈中的寄存器的值又会被恢复到寄存器中，这种操作叫做出栈，如下图所示：

如果嵌入式系统中包含了嵌入式OS,则通常将应用任务和内核所用的栈空间分离开来，因此用到PSP，在异常入口和异常退出时发生SP切换，主动压栈和出栈阶段使用PSP，利用这种分离的栈结构，栈或者应用任务的错误不会影响OS使用的栈，同时也简化了OS的设计，提高了上下文切换的速度，如下图所示：

可以通过下面CMSIS函数或者汇编访问MSP和PSP，一般不建议使用C访问MSP和PSP，因为栈存储中的一部分可能被用于存储局部变量或其他数据，尽量使用汇编进行。

MPU在Cortex-M3和M4处理器中是可选的，因此并不是所有的Cortex-M3和M4微控制器都具有MPU特性，多数应用不会用到MPU，在需要高可靠性的嵌入式系统中，MPU可以通过定义特权和非特权访问权限，来保护存储器区域。

Cortex-M3和M4处理器中的MPU支持8个可编程区域，MPU由多种用法，可以由嵌入式OS控制或者配置为只保护某一特定存储器区域。

异常是会改变程序流的事件，当其产生时，处理器会暂停当前正在执行的任务，转而执行一段被称作异常处理的程序。异常处理执行完后，处理器继续正常的程序执行。对于ARM架构，中断就是异常的一种，一般由外设或外部输入产生，有时也可以由软件触发，中断的异常处理程序也被称作中断服务程序ISR。

Cortex-M处理器由多个异常源，如下图：

NVIC处理异常。NVIC可以处理多个中断请求IRQ和一个不可屏蔽中断NMI请求，IRQ一般由片上外设或外部中断输入通过IO端口产生，NMI可用于看门狗定时器或者掉电检测(在电压低到一定程度时给处理器产生警告)。处理器内部也有Systick的定时器，可以产生周期性的定时中断请求，可用于嵌入式OS计时或者没有OS的应用中的简单定时控制。

处理器自身也是一个异常事件源，其中包括表示系统错误状态的错误事件以及软件产生、支持嵌入式OS操作的异常，异常类型如下表：


每个异常源都由一个异常编号，编号1~15为系统异常，16号及以后用于中断。Cortex-M3和M4处理器在设计上支持最多240个中断输入，不过为了减小硅片面积及节省功耗，一般只实现16-100左右。

异常编号在多个寄存器中都有所体现，包括用于确定异常向量地址的IPSR，异常向量存储在向量表中，在异常入口流程中，处理器会读取向量表来确定异常处理的起始地址。注意，异常编号的定义和CMSIS的驱动库的中断编号定义不同，CMSIS中中断编号从0开始，而系统异常编号为负值。

Cortex-M处理器没有快速中断FIQ，不过Cortex-M3和M4处理器的中断等待只有12个周期，时间非常短。

复位是特殊的异常，处理器从复位中退出时，会在线程模式而不是其他异常时的处理模式下执行复位处理，IPSR中的异常编号为0。

NVIC为Cortex-M处理器的一部分，为可编程的并且寄存器位域存储器映射的系统控制空间SCS，NVIC处理异常和中断配置、优先级以及中断屏蔽。NVIC具有以下特点：

• 灵活的异常和中断管理
• 支持嵌套异常/中断
• 向量化的异常/中断入口
• 中断屏蔽
  

每个中断，除了NMI，都可以被使能或者禁止，而且都有可由软件设置或清除的挂起状态，NVIC可以处理多种类型的中断源：

• 脉冲中断请求。中断请求至少持续一个时钟周期，当NVIC在某中断输入收到一个脉冲时，挂起状态就会置位并保持到中断得到处理。
• 电平触发中断请求。在中断得到处理前需要将中断源的请求保持为高。
  

NVIC输入信号为高有效，不过实际的微控制器的外部中断输入的设计可能会有所不同，会被片上系统逻辑转换为有效的高电平信号。

每个异常都有一个优先级，中断等一些异常具有可编程的优先级，其他的为固定优先级。当异常产生时，NVIC会将异常的优先级和当前等级比较，如果新的异常的优先级较高，则正在执行的任务暂停，寄存器进行压栈，处理器开始执行新异常的异常处理，这个过程叫做抢占。当高优先级的异常处理完成后，会被异常返回操作终止，处理器自动从栈中恢复寄存器内容，并继续执行之前的任务。

异常发生时，处理器需要 确定对应的异常处理入口位置。对于ARM7TDMI等ARM处理器，这一操作由软件实现，Cortex-M处理器则从存储器的向量表中自动定位异常处理的入口，这样可以降低从异常产生到异常处理执行间的延时。

Cortex-M3和M4处理器中的NVIC提供了多个中断屏蔽寄存器，如PRIMASK特殊寄存器。利用PRIMASK寄存器可以禁止除HardFault和NMI之外的所有异常。另外还可以使用BASEPRI寄存器来选择屏蔽低于指定优先级的异常或中断。

异常事件产生并被处理器内核接受后，响应的异常处理就会执行，要确定异常处理的起始地址，处理器里哟过了向量表机制。向量表为系统存储器内的字数据数组，每个元素都代表一个异常类型的起始地址，向量表是可以重定位的，重定位由NVIC中名为向量表便宜寄存器VTOR的可编程寄存器控制，复位后，VTOR默认为0，向量表位域地址0x0处，如下图所示：

每个异常向量的最低位表示异常是否在Thumb状态下执行，由于Cortex-M只支持Thumb指令，因此所有的异常向量的最低位都应该为1。

Cortex-M3和M4处理器有几个异常为错误处理异常。处理器检测到错误时，触发错误异常，检测到的错误包括执行未定义的指令以及总线错误、对存储器访问返回错误的响应等。错误异常机制使得错误可以被快速发现，软件因此可以执行相应的修复措施，如下图所示：

总线错误、使用错误以及存储器管理错误默认是禁止的，所有的错误事件都会触发HardFault异常。

错误异常可在软件调试中使用，当错误产生时，错误异常可以自动收集信息以及通知用户或其他系统错误已产生，并提供调试信息。Cortex-M3和M4处理器有多个可用的错误状态寄存器，提供错误源等信息。

SCB为处理器的一部分，位于NVIC中，SCB包含寄存器，用于：

• 控制处理器配置，如低功耗模式。
• 提供错误状态信息，错误状态寄存器。
• 向量表重定位VTOR。
  

对于典型的Cortex-M微控制器，复位类型有三种：

• 上电复位。复位微控制器中的所有部分，包括处理器、调试支持部件和外设等。
• 系统复位。只复位处理器和外设，不包括处理器的调试及支持部件。
• 处理器复位。只复位处理器。
  

在系统调试或处理器复位操作过程中，Cortex-M3和M4处理器中的调试部件不会复位，这样可以保持调试主机(如运行在PC机上的调试软件)和微控制器间的链接。调试主机可以通过系统控制块SCB中的寄存器产生系统复位或处理器复位。

上电复位和系统复位的持续时间取决于实际的微控制器设计，某些情况下，由于复位控制器需要等待晶体振荡器等时钟源稳定下来，因此复位要持续若干毫秒。

复位后及处理器开始执行程序前，Cortex-M处理器会从存储器中读出前两个字，向量表位于存储器的开头部分，它的头两个字为主栈指针MSP的初始值，以及代表复位处理起始地址的复位向量，处理器读出这两个字后，就会将这些数值赋给MSP和程序计数器PC， 如下图所示：

MSP的设置是很有必要的，因为在复位的短时间内有产生NMI或HardFault的可能，在异常处理前将处理器状态压栈时需要栈存储和MSP。

注意：对于多数C开发环境，C启动代码在进入主程序main前更新MSP的数值，通过两次对栈的设置，具有外部存储器的微控制器可以将外部存储器用作栈。例如启动时设置片上SRAM为栈，复位处理中初始化外部存储器后执行C启动代码，此时将栈设置为外部存储器。

由于Cortex-M3 和 M4的栈操作为满递减，SP的初始值应设置为栈区域顶部的第一个位置。例如，若栈区域为 0x20007C00~0x20007FFF，则初始栈指针应为0x20008000.如下图所示：