ARM Cortex-M4內核架構概述

1、什么是ARM Cortex-M處理器

1.1、Cortex-M3和Cortex-M4處理器

Cortex-M3（2005年發布）和Cortex-M4（2010年發布）處理器是ARM公司設計的處理器。

Cortex-M3和Cortex-M4處理器使用32位架構，寄存器組中斷內部寄存器、數據以及總線接口都是32位。Cortex-M處理器使用的指令集架構（ISA）是Thumb ISA(是一種RISC(精簡指令集))，其基于Thumb-2技術并同時支持16位和32位指令。

主要有以下特點：

三級流水線：取指、譯碼、執行。
哈佛總線架構，即具有統一的存儲器空間：指令和地址總線使用相同的地址空間。
32位尋址，支持4GB存儲器空間
有名為NVIC（嵌套向量中斷控制器）的中斷控制器，支持最多240個中斷請求和8-256個中斷優先級。
支持多種OS特性，如節拍定時器（systick）、影子棧指針（雙棧指針：MSP/PSP）。
休眠模式和多種低功耗特性。
支持可選的MPU（存儲器保護單元），提供了存儲器的訪問權限控制。
支持兩個特定存儲區域的位段訪問

Cortex-M3和M4處理器提供了多種指令：

普通數據處理，包括硬件除法指令。
存儲器訪問指令，支持8位、16位、32位、64位數據，以及其他可傳輸多個32位數據的指令。
位域處理指令。
乘累加（MAC）以及飽和指令。
用于跳轉、條件跳轉以及函數調用的指令
用于系統控制、支持OS等的指令。

另外，M4處理器還支持：

單指令多數據（SIMD）指令。
其他快速MAC和乘法指令。
飽和運算指令。
可選的單精度浮點指令。

1.2、Cortex-M處理器家族

Cortex-M3和Cortex-M4處理器基于ARMv7-M架構。Cortex-M4處理器具有SIMD、快速MAC以及飽和指令，可以執行一些數組信號處理程序。

Cortex-M0、Cortex-M0+和Cortex-M1基于ARMv6-M架構。Cortex-M1是專門為FPGA應用設計的。

Cortex-M33基于ARMv8-M架構。添加了trustzone等安全組件。

1.3、處理器和微控制器的區別

在一個典型的微控制器設計中，處理器只會占芯片中的一小塊區域。其他部分為存儲器、時鐘生成（如PLL）和分配邏輯、系統總線以及外設等（I/O接口單元、通信接口、定時器、ADC、DAC等硬件單元）。微控制器供應商（比如ST、TI、NXP）選擇Cortex-M處理器作為它們的CPU，添加上述的其他功能單元，最終成為一個微控制器。如下圖：

1.4、ARM處理器的發展

Cortex-M3處理器發布之前，ARM處理器已經有了許多種，比如ARM7、ARM9、ARM11。它們支持兩套指令集：32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集。

目前Cortex處理器系列包括三類：

Cortex-A用于高性能的開發應用平臺。
Cortex-R用于需要實時性能的高端嵌入式系統。
Cortex-M用于嵌入式微控制器系統 。

Cortex-A ：需要處理高端嵌入式系統（OS，如iOS、Android、Linux以及Windows）等復雜應用的應用處理器，需要強大的處理能力、支持存儲器管理單元（MMU）等虛擬存儲器系統、可選的增強Java支持和安全的程序運行環境。實際產品包括高端智能手機、平板電腦、電視以及服務器等。
Cortex-R ：實時、高性能的處理器，面向較高端的實時市場，其應用包括硬盤控制器、移動通信的基帶控制器以及汽車系統。強大的處理能力和高可靠性非常關鍵，低中斷等待和確定性也非常重要。
Cortex-M ：面向微控制器和混合信號設計等小型應用，注重低成本、低功耗、耗能效率和低中斷等。

1.5、Thumb ISA的架構版本

2、軟件開發流程

3、技術綜述

3.1、Cortex-M3和M4處理器一般信息

3.1.1 處理器類型

Cortex-M3和M4為32位RISC（精簡指令集）處理器，其具有：

32位寄存器
32位內部數據通路
32位總線接口

Cortex-M3和M4具有三級流水線，基于哈佛總線架構（另一個是普林斯頓架構），取指和數據訪問可以同時執行。存儲器系統使用32位尋址，地址最大空間是4GB。存儲器空間包括程序代碼、數據、外設以及處理器內部的調試支持部件。

Cortex-M刺激器基于一種加載—存儲架構。比如要增加SRAM中存儲的數據值，處理器需要一條指令從SRAM中讀出數據，將其放到處理器的寄存器中，然后使用第二條指令增加寄存器中的值，最后使用第三條指令將其寫回存儲器。

3.1.2 指令集

Cortex-M處理器使用的指令集為Thumb-2，它運行16位和32位指令的混合使用，以獲得更高的代碼密度和效率。

經典的ARM處理器（比如ARM7）具有兩種操作狀態：32位的ARM狀態和16位的Thumb狀態。在ARM狀態，指令是32位的，內核能夠以很高的性能執行所有支持的指令；而對于Thumb狀態，指令是16位的，可以得到很好地代碼密度，bugThumb指令不具有ARM指令所有功能，要完成特定的操作可能需要更多的指令。如下圖。對于經典的ARM處理器，中斷處理會進入ARM狀態。

隨著Thumb-2技術的引入，Thumb指令被擴展為支持16位和32位兩種解碼方式，無需在兩個不同操作狀態切換就可以滿足所有的處理需求。

3.1.3 模塊框圖

3.1.4 存儲器系統

Cortex-M3和M4處理器本身不包含存儲器，它們具有通用的片上總線接口，供應商可以將它們自己的存儲器系統添加到系統中。如下部件：

程序存儲器，一般是Flash
數據存儲器，一般是SRAM
外設

Cortex-M3和M4處理器主要使用的總線接口協議是AHB Lite（高級高性能總線），用于程序存儲器和系統總線接口。高級外設總線（APB）接口為處理器使用的另外一種總線協議。

3.1.5 中斷和異常支持

Cortex-M3和M4處理器中存在一個嵌套向量中斷控制器（NVIC）。它是可編程的且其寄存器經過了存儲器映射。它的地址固定，編程模型對于所有的Cortex-M處理器都是一致的。

除了外設和其他外部輸入中斷，NVIC還支持多個系統異常，包括NMI（不可屏蔽中斷）等。供應商決定實際支持的可編程中斷優先級的數量。

4、架構

4.1 編程模型

4.1.1 操作模式

圖4.1 操作狀態和模式

處理模式（Handler）：執行ISR等異常處理。此模式下，處理器總是具有特權訪問等級。
線程模式：在執行普通的應用程序代碼時，處理器可以處于特權訪問等級，也可處于非特權訪問等級。實際的訪問等級由特殊寄存器（CONTROL）控制。

軟件可以將處理器從特權線程模式切換到非特權線程模式，但無法將自身從非特權切換到特權模式，必須要借助異常機制才可以。

區分特權和非特權訪問等級，設計人員可以提供對關鍵區域訪問的保護機制及基本的安全模型，這樣有助于開發健壯的嵌入式系統。例如，系統中可能包含運行在特權訪問等級的OS內核，以及運行在非特權訪問等級的應用程序。還可以通過MPU設置存儲器訪問權限避免應用任務破壞OS內核以及其他任務使用的存儲器和外設。若應用任務崩潰，剩下的任務和OS內核可以繼續運行。

幾乎所有的NVIC寄存器支持特權訪問。

4.1.2 寄存器

寄存器組有16個寄存器，其中13個位32位通用目的寄存器，其他3個有特殊用途，如圖：

圖4.2 寄存器組中的寄存器

R0 - R12
前8個（R0 - R7）是低寄存器。許多16位指令只能訪問低寄存器。高寄存器（R8 - R12）可以用于32位指令和幾個16位指令。R0 - R12初始值未定義。
R13（SP）
R13為棧指針，可通過PUSH和POP指令實現棧存儲的訪問。存在2個棧指針：主棧指針（MSP）為默認的棧指針，在復位或處理器在處理模式時使用；另一個為進程棧指針（PSP），只能用于線程模式。棧指針的選擇由特殊寄存器（CONTROL）決定。MSP和PSP都是32位的，不過棧指針的最低兩位總是0。PUSH和POP總是32位的，32位字對齊。
R14（LR）
R14配稱為鏈接寄存器，用于函數或子程序調用時返回地址的保存。在異常處理器件，LR會自動更新為特殊的EXC_RETURN（異常返回）數值，該值會在異常處理結束時觸發異常返回。有些跳轉/調用操作需要將LR（或正使用的任何寄存器）的第0位置1表示Thumb狀態。
R15（PC）
R15是程序計數器。

4.1.3 特殊寄存器

除了寄存器組中的寄存器外，處理器還存在多個特殊寄存器，如下圖：

圖4.3 特殊功能寄存器

特殊寄存器未經過存儲器映射，可以使用MSR和MRS等特殊寄存器訪問指令訪問。

MRS < reg >, < special_reg > ; 將特殊寄存器讀入寄存器

MSR < special_reg >, < reg > ; 寫入特殊寄存器

程序狀態寄存器

程序狀態寄存器包括以下三個狀態寄存器：

應用PSR(APSR)
執行PSR(EPSR)
中斷PSR(IPSR)

圖4.4 APSR、IPSR和EPSR

PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI寄存器

PRIMASK、FAULTMASK和BASEPRI寄存器都用于異?；蛑袛嗥帘?，每個異常都具有一個優先級，數值小的優先級高。這些特殊寄存器可基于優先級屏蔽異常，只有在特權訪問等級才可對其訪問。這些寄存器編程模型如下：

圖4.5 PRIMASK、FAULTMASK和PRIMASK寄存器

PRIMASK置位時，會阻止NMI和HardFault異常之外的所有異常。最常見用途是在時間要求很嚴格的進程中禁止所有中斷，在該進程完成后，需要將其清除重新使能中斷。
FAULTMASK和PRIMASK非常類似，不過它還能屏蔽HardFault異常。錯誤處理代碼可以使用FAULTMASK以免在錯誤處理期間引發其他錯誤。FAULTMASK在異常返回自動清除。
BASEPRI會根據優先級屏蔽中斷。它的寬度取決于實際芯片實現的優先級數量，大多數有8個或16個可編程優先級，對應的寬度為3位或4位。BASEPRI為0時不起作用，非0時，會屏蔽具有相同或更低優先級的異常。

CMSIS-Core提供了多個C函數可以訪問它們。

x = _get_BASEPRI(); // 讀BASEPRI寄存器

x = _get_PRIMASK(); // 讀PRIMASK寄存器

x = _get_FAULTMASK(); // 讀FAULTMASK寄存器

_set_BASEPRI(x); // 設置BASEPRI寄存器的新值

_set_PRIMASK(x); // 設置PRIMASK寄存器的新值

_set_FAULTMASK(x); // 設置FAULTMASK寄存器的新值

_disable_irq(); // 設置PRIMASK，禁止IRQ

_ensable_irq(); // 清除PRIMASK，使能IRQ

還可以用匯編代碼訪問這些異常屏蔽寄存器：

MRS r0, BASEPRI; 將BASEPRI寄存器讀入 R0

MRS r0, PRIMASK; 將PRIMASK寄存器讀入 R0

MRS r0, FAULTMASK; 將FAULTMASK寄存器讀入 R0

MRS BASEPRI, r0 ; 將R0 寫入 BASEPRI寄存器

MRS PRIMASK, r0 ; 將R0 寫入 PRIMASK寄存器

MRS FAULTMASK, r0 ; 將R0 寫入 FAULTMASK寄存器

另外，還可以利用修改處理器狀態（CPS）指令：

CPSIE i ;使能中斷（清除PRIMASK）

CPSID i ;禁止中斷（設置PRIMASK）

CPSIE f ;使能中斷（清除FAULTMASK）

CPSID f ;禁止中斷（設置FAULTMASK）

CONTROL寄存器

CONTROL寄存器（如下圖）定義了：

棧指針的選擇（MSP/PSP）
線程模式的訪問等級（特權/非特權）

CONTROL寄存器只能在特權訪問等級修改，讀操作在特權和非特權都可以。

圖4.6 Cortex-M3、Cortex-M4和具有FPU的Cortex-M4中的CONTROL寄存器

表4.1 CONTROL寄存器中的位域

復位后，CONTROL寄存器默認為0，意味著此時處理器處于特權訪問權限的線程模式并使用MSP。通過寫CONTROL寄存器，特權線程模式的程序可以切換棧指針或進入非特權訪問等級。不過nPRIV置位后，運行在線程模式的程序不能訪問CONTROL寄存器了。即運行在非特權等級的程序無法切換回特權等級，這就提供了一個基本的安全模型；若有必要將處理器在線程模式切換回特權等級，則需要異常機制。在異常處理期間清除nPRIV位，回到線程模式后，處理器就會進入特權等級。

圖4.7 棧指針選擇

圖4.8 特權線程模式和非特權線程模式間的切換

4.1.4 浮點寄存器

Cortex-M4有可選的浮點單元，提供了浮點數據處理用的一些寄存器以及浮點狀態和控制寄存器（FPSCR）

S0 - S31和D0 - D15
浮點狀態和控制寄存器（FPSCR）

4.2 存儲器系統

4.2.1 存儲器映射

Cortex-M處理器的4GB地址空間被劃分了多個存儲器區域，如下圖。區域根據各自用法劃分，主要用于：

程序代碼訪問（如CODE區域）
數據訪問（如SRAM區域）
外設（如外設區域）
處理器的內部控制和調試部件（如私有外設總線）

架構的這種安排具有很大的靈活性，存儲器區域可用于其他目的。例如，程序即可以在CODE區域執行，也可以在SRAM區域執行，而且微控制器也可以在CODE區域加入SRAM。

圖4.9 存儲器映射

4.2.2 棧存儲

在棧這種存儲器機制中，存儲器的一部分可被用作后進先出的數據存儲緩沖。ARM處理器將系統主存儲器用于棧空間操作，使用PUSH和POP。每次PUSH和POP操作后，棧指針會自動調整。

棧可用于：

當正在執行的函數需要使用寄存器進行數據處理時，臨時存儲數據的初始值。這些數據在函數結束時可恢復回去
往函數或子程序傳遞信息，即函數調用的參數傳遞
用于存儲局部變量
在中斷等異常產生時保存處理器狀態和寄存器數值

Cortex-M處理器使用的棧模型是“滿遞減”。處理器啟動后，SP被設置為棧存儲空間最后的位置。每次PUSH操作，處理器先減小SP的值，然后將數據存儲在SP指向的存儲器位置。對于POP操作，SP指向的存儲器位置數據被讀出，然后SP的值自動減小。

PUSH和POP指令最常見的用法是，在執行函數調用時保存寄存器組中的內容，函數調用結束時通過POP恢復它們的值。

圖4.10 棧的PUSH和POP

若嵌入式系統中包含OS，通常會將應用任務和內核所用的棧空間分離開來，因此PSP會被用到，在異常入口和出口時會發生SP切換，如下圖。

圖4.11 SPSEL=1，線程等級使用進程棧而異常處理使用主棧

盡管同一時間內只有一個SP可見，如果當前處于特權等級，可以用PSR和MRS指令訪問隱藏的SP。

4.3 異常和中斷

4.3.1 什么是異常

Cortex-M處理器有多個異常源，如圖：

圖4.12 各種異常源

NVIC處理異常 。NVIC可以處理多個中斷請求（IRQ）和一個不可屏蔽中斷（NMI）請求，IRQ一般由片上外設或外部中斷輸入通過I/O端口產生，NMI可用于看門狗或掉電檢測。處理器內部有個名為SysTick的定時器，可以產生周期性的定時中斷請求，可用于OS計時。
處理器自身也是一個異常事件源，包括表示系統錯誤狀態的錯誤事件以及軟件產生、支持OS操作的異常。異常類型如下表：

表4.2 異常類型

每個異常源都有一個異常編號，編號1-15為系統異常，16及其之上的則用于中斷。Cortex-M4和M4在設計上最多240個中斷輸入，不過實際實現的中斷數量要小得多，一般在16-100之間。

4.3.2 NVIC

NVIC處理異常和中斷配置、優先級以及中斷屏蔽。NVIC具有以下特性：

靈活的異常和中斷管理
支持嵌套異常/中斷
向量化的異常/中斷入口
中斷屏蔽

4.3.3 向量表

當異常事件產生且被處理器內核接受后，相應的異常處理就會執行。向量表是可以重定位的，由NVIC中的名為向量表偏移寄存器（VTOR）控制。復位后默認為0，向量表則位于地址0x0處。

圖4.13 異常類型（異常向量的最低位應該置1，表示Thumb狀態）

4.3.4 錯誤處理

Cortex-M3和M4處理器中有幾個異常為錯誤處理異常。處理器檢測到錯誤時，觸發錯誤異常，錯誤包括執行未定義的指令以及總線錯誤、對存儲器訪問返回錯誤等。

圖4.14 錯誤異常的使用

總線錯誤、使用錯誤以及存儲器管理錯誤默認是禁止的，且所有的錯誤事件都會觸發HardFault異常（總是使能）。但這些配置是可編程的。

4.4 復位和復位流程

對于典型的Cortex-M處理器，復位類型由三種：

上電復位。復位微控制器的所有部分，包括處理器、調試支持部件和外設等。
系統復位。只會復位處理器和外設，不包括調試支持部件。
處理器復位。只復位處理器

在復位后以及處理器開始執行程序之前，Cortex-M處理器會從存儲器中讀出頭兩個字，如下圖。向量表位于存儲器的開頭部分，它的頭兩個字為MSP的初始值和代表復位除了起始地址的復位向量。處理器讀出這兩個字會將其賦值給MSP和PC。

MSP的設置非常必要。因為在復位的很多時間內有產生NMI或HardFault的可能，在異常處理前將處理器狀態壓棧時需要棧存儲和MSP。

圖4.15 復位流程

圖4.16 棧指針初始值和程序計數器初始值示例

5 存儲器系統

5.1 存儲器映射

圖5.1 Cortex-M3和Cortex-M4處理器預定義的存儲器映射（陰影部分的部件用于調試）

5.2 連接處理器到存儲器和外設

圖5.2 不同存儲區域的多個總線接口

圖5.3 基于Cortex-M3或Cortex-M4的簡單系統

圖5.4 STM32F4的Flash訪問加速器示意圖

圖5.5 多層AHB示例（NXP LPC1700）

5.3 位段操作

圖5.6 通過位段別名對位段區域進行位訪問（SRAM區域）

5.4 存儲器屏障

存儲器屏障指令ISB、DSB、DMB

5.5 微控制器中的存儲器系統

許多微控制器設備，設計中還集成了其他存儲器系統特性。例如：

BootLoader
存儲器重映射
存儲器別名

圖5.7 具有可配置存儲器映射的簡單存儲器系統

圖5.8 具有bootloader的系統的存儲器重映射示例

6 異常和中斷

6.1 異常和中斷簡介

典型的Cortex-M4微控制器中，NVIC接收多個中斷源產生的中斷請求，如圖

圖6.1 典型微控制器中的各種異常源

Cortex-M3和Cortex-M4的NVIC最多支持240個IRQ、1個NMI、1個SysTick及多個系統異常。多數中斷由定時器、I/O端口和通信接口（UART、I2C）等外設產生。中斷還可利用軟件生成。

為了繼續執行被中斷的程序，異常流程需要利用一些手段保護被中斷程序的狀態，這樣在異常處理完成后還可以恢復。一般這個過程可以由硬件機制實現，也可以由硬件和軟件操作共同完成。對于Cortex-M4處理器，當異常被接受后，有些寄存器被字段保存到棧中，返回時自動恢復。

6.2 異常類型

編號1-15的為系統異常，16及以上為中斷輸入。包括中斷在內的多數異常，具有可編程的優先級，一些系統異常則有固定的優先級。

不同的Cortex-M4微控制器的中斷源編號（1-240）可能會不同，優先級也可能有差異。

異常類型1-15為系統異常，如表7.1。類型16及以上為外部中斷輸入，如表7.2。

表6.1 系統異常列表

表6.2 中斷列表

CMSIS-Core定義了系統異常處理的名稱

表6.3 CMSIS-Core異常定義

優先級的優先級配置寄存器可被分為兩部分。上半部分（左邊的位）為搶占優先級，下半部分（右邊的位）為子優先級，如下

表6.4 常用的基本中斷控制CMSIS-Core函數

6.4 優先級定義

圖6.2 3位優先級寄存器（8個可編程優先級）

圖6.3 4位優先級寄存器（16個可編程優先級）

8位寄存器被分為兩個部分：搶占優先級和子優先級。利用系統控制塊（SCB）中的一個名為優先級分組的配置寄存器，每個具有可編程優先級的優先級配置寄存器可被分為兩部分。上半部分（左邊的位）為搶占優先級，下半部分（右邊的位）為子優先級，如下

表6.5 不同優先級分組下優先級寄存器中的搶占優先級和子優先級域定義

圖6.4 3位優先級寄存器中優先級分組為5時的域定義

圖6.5 3位優先級寄存器中優先級分組為1時的域定義

圖6.6 8位優先級寄存器中優先級分組為0時的域定義

6.5 向量表和向量表重定位

當Cortex-M處理器接受某異常請求后，處理器要確定該異常處理的起始地址。該信息位于存儲器內的向量表中，默認從地址0開始，向量地址則為異常編號乘4，如圖

圖6.7 向量表

7 深入了解異常處理

7.1 C實現的異常處理

對于Cortex-M處理器，可以將異常處理或ISR實現為普通的C函數。為了詳細了解這種機制，看一下C函數在ARM架構上如何工作。

用于ARM架構的C編譯器遵循ARM的一個名為AAPCS（ARM架構過程調用標準）的規范。根據這份標準，C函數可以修改R0-R3、R12、R14以及PSR。若C函數需要調用R4-R11，應該將這些寄存器保存到棧中，且在函數結束前將他們恢復，如圖。

R0-R3、R12、R14以及PSR被稱為“調用者保存寄存器”。R4-R11被稱為“被調用者保存寄存器”，被調用的子程序或函數需要確保這些寄存器在函數結束時不會發送變化。這些寄存器的值可能會在函數執行過程中變化，不過需要在函數退出前將他們恢復。一般，函數調用R0-R3作為輸入參數，R0用作返回結果。若返回值是64位，則R1也會用于返回結果。

圖7.1 AAPCS規定的函數調用中的寄存器使用

要使C函數可以用作異常處理，異常機制需要在異常入口處自動保存R0-R3、R12、R14以及PSR，并在異常退出時將他們恢復，這些要由刺激器硬件控制。

圖7.2 在不需要或禁止雙字棧對齊時，Cortex-M3或Cortex-M4（無浮點）處理器的異常棧幀

7.1.1 EXC_RETURN

處理器進入異常處理或ISR時，LR的值會被更新為EXC_RETURN的值。當利用BX、POP或存儲器加載指令（LDR或LDM）被加載到PC中時，該數值用于觸發異常返回機制。

表7.1 EXC_RETURN的位域

表7.2 EXC_RETURN的合法值

7.2 異常流程

7.2.1 異常進入和壓棧

圖7.3 壓棧和取向量

圖7.4 Cortex-M3處理器的AHB Lite總線上的壓棧流程

圖7.5 使用主棧的線程模式的異常棧幀

圖7.6 使用進程棧的線程模式的異常棧幀，以及使用主棧的嵌套中斷壓棧

7.2.2 異常返回和出棧

圖7.7 LR在異常時被設置為EXC_RETURN（線程模式使用主棧）

圖7.8 LR在異常時被設置為EXC_RETURN（線程模式使用進程棧）

圖7.9 出棧操作

7.3 中斷等待和異常處理優化

7.3.1 什么是中斷等待

7.3.2 末尾連鎖

若某個異常產生時處理器正在處理另一個具有相同或更高優先級的異常，該異常會進入掛起狀態。在處理器執行完當前的異常處理后，它可以繼續執行掛起的異常/中斷請求。處理器不會從棧中恢復寄存器（出棧）然后在將它們存入棧中（壓棧），而是跳過出棧和壓棧過程并盡快進入掛起異常的中斷處理，如圖。對于無狀態等待的存儲器系統，末尾連鎖的中斷等待時間僅為6個時鐘周期。