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【干货】最经典的STM32概述
时间:2020-4-11

缩略语:

AMBA:先进单片机总线架构

ADKAMBA设计套件

AHB:先进高性能总线

AHB-APAHB访问端口

APB:先进外设总线

ARM ARMARM架构参考手册

ASIC:行业领域专用集成电路

ATB:先进跟踪总线

BE8:字节不变式大端模式

CPI:每条指令的周期数

DAP:调试访问端口

DSP:数字信号处理(器)

DWT:数据观察点及跟踪

ETM:嵌入式跟踪宏单元

FPB:闪存地址重载及断点

FSRfault状态寄存器

HTMCore Sight AHB跟踪宏单元

ICE:在线仿真器

IDE:集成开发环境

IRQ:中断请求(通常是外中断请求)

ISA:指令系统架构

ISR:中断服务例程

ITM:仪器化跟踪宏单元

JTAG:连接点测试行动组(一个关于测试和调试接口的标准)

LR:连接寄存器

LSB:最低有效位

MSB:最高有效位

LSU:加载存储单元

MCU:微控制器单元

MPU:存储器保护单元

MMU:存储器管理单元

MSP:主堆栈指针

NMI:不可屏蔽中断

NVIC:嵌套向量中断控制器

PC:程序计数器

PPB:私有外设总线

同时,还要如下规定:

数值:

1. 4''hC , 0x123 都表示16进制数

2. #3表示数字3 (e.g., IRQ #3 就是指3号中断)

3. #immed_12表示一个12位的立即数

4. 寄存器位。通常是表示一个位段的数值,例如

bit[15:12] 表示位序号从15往下数到12,这一段的数值。

寄存器访问类型:

1. R 表示只读

2. W表示只写

3. RW 表示可读可写(前3条好像地球人都知道)

4. R/Wc 表示可读,但是写访问将使之清 0

Cortex-M3芯片简介

1、芯片的基本结构

 

2、关于ARMv7的知识

在这个版本中,内核架构首次从单一款式变成3种款式:

款式A:设计用于高性能的开放应用平台”——越来越接近电脑了

款式R:用于高端的嵌入式系统,尤其是那些带有实时要求的——又要快又要实时

款式M:用于深度嵌入的,单片机风格的系统中

介绍A:用于高性能的开放应用平台,应用在那些需要运行复杂应用程序的处理器,支持大型嵌入式操作系统

R:用于高端的嵌入式系统,要求实时性的

M:用于深度嵌入的、单片机风格的系统中

3Cortex-M3处理器的舞台

高性能+高代码密度+小硅片面积,使得CM3大面积地成为理想的处理平台,主要应用在以下领域:

1)低成本单片机

2)汽车电子

3)数据通信

4)工业控制

5)消费类电子产品

4Cortex-M3概览

1)简介

Cortex-M3是一个 32位处理器内核。内部的数据路径是 32位的,寄存器是 32位的,存储器接口也是 32 位的。CM3 采用了哈佛结构,拥有独立的指令总线和数据总线,可以让取指与数据访问并行不悖。这样一来数据访问不再占用指令总线,从而提升了性能。为实现这个特性, CM3内部含有好几条总线接口,每条都为自己的应用场合优化过,并且它们可以并行工作。但是另一方面,指令总线和数据总线共享同一个存储器空间(一个统一的存储器系统)。

比较复杂的应用可能需要更多的存储系统功能,为此CM3提供一个可选的MPU,而且在需要的情况下也可以使用外部的 cache。另外在CM3中,Both小端模式和大端模式都是支持的。

2)寄存器组

处理器拥有R0-R15的寄存器组,其中R13最为堆栈指针SP,SP有两个,但是同一时刻只能有一个可以看到,这就是所谓的“banked”寄存器。

aR0-R12都是 32位通用寄存器,用于数据操作。但是注意:绝大多数 16Thumb指令只能访问R0-R7,而 32位 Thumb-2指令可以访问所有寄存器。

bCortex-M3拥有两个堆栈指针,然而它们是 banked,因此任一时刻只能使用其中的一个。

主堆栈指针(MSP):复位后缺省使用的堆栈指针,用于操作系统内核以及异常处理例程(包括中断服务例程)

进程堆栈指针(PSP):由用户的应用程序代码使用。

---堆栈指针的最低两位永远是0,这意味着堆栈总是4字节对齐的。---

cR14:连接寄存器--当呼叫一个子程序时,由R14存储返回地址

dR15:程序计数寄存器--指向当前的程序地址,如果修改它的值,就能改变程序的执行流(这里有很多高级技巧)

eCortex-M3还在内核水平上搭载了若干特殊功能寄存器,包括:

· 

程序状态字寄存器组(PSRs

· 

· 

中断屏蔽寄存器组(PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI

· 

· 

控制寄存器(CONTROL

· 

 

Cortex-M3处理器支持两种处理器的操作模式,还支持两级特权操作。

两种操作模式分别为:处理者模式和线程模式(thread mode)。引入两个模式的本意,是用于区别普通应用程序的代码和异常服务例程的代码——包括中断服务例程的代码。

Cortex-M3 的另一个侧面则是特权的分级——特权级和用户级。这可以提供一种存储器访问的保护机制,使得普通的用户程序代码不能意外地,甚至是恶意地执行涉及到要害的操作。处理器支持两种特权级,这也是一个基本的安全模型。

 

 CM3 运行主应用程序时(线程模式),既可以使用特权级,也可以使用用户级;但是异常服务例程必须在特权级下执行。复位后,处理器默认进入线程模式,特权极访问。在特权级下,程序可以访问所有范围的存储器(如果有 MPU,还要 在MPU规定的禁地之外),并且可以执行所有指令。

在特权级下的程序可以为所欲为,但也可能会把自己给玩进去——切换到用户级。一旦进入用户级,再想回来就得走法律程序——用户级的程序不能简简单单地试图改写 CONTROL寄存器就回到特权级,它必须先申诉:执行一条系统调用指令(SVC)。这会触发SVC异常,然后由异常服务例程(通常是操作系统的一部分)接管,如果批准了进入,则异常服务例程修改 CONTROL寄存器,才能在用户级的线程模式下重新进入特权级。

事实上,从用户级到特权级的唯一途径就是异常:如果在程序执行过程中触发了一个异常,处理器总是先切换入特权级,并且在异常服务例程执行完毕退出时,返回先前的状态。

 

通过引入特权级和用户级,就能够在硬件水平上限制某些不受信任的或者还没有调试好的程序,不让它们随便地配置涉及要害的寄存器,因而系统的可靠性得到了提高。进一步地,如果配了 MPU,它还可以作为特权机制的补充——保护关键的存储区域不被破坏,这些区域通常是操作系统的区域。

(4)内建的嵌套向量中断控制器

Cortex-M3 在内核水平上搭载了一颗中断控制器——嵌套向量中断控制器 NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。它与内核有很深的亲密接触”——与内核是紧耦合的。

NVIC提供如下的功能:

· 

可嵌套中断支持

· 

· 

向量中断支持

· 

· 

动态优先级调整支持

· 

· 

中断延迟大大缩短

· 

· 

中断可屏蔽

· 

可嵌套中断支持: 可嵌套中断支持的作用范围很广,覆盖了所有的外部中断和绝大多数系统异常。外在表现是,这些异常都可以被赋予不同的优先级。当前优先级被存储在 xPSR 的专用字段中。当一个异常发生时,硬件会自动比较该异常的优先级是否比当前的异常优先级更高。如果发现来了更高优先级的异常,处理器就会中断当前的中断服务例程(或者是普通程序),而服务新来的异常——即立即抢占。

向量中断支持: 当开始响应一个中断后,CM3会自动定位一张向量表,并且根据中断号从表中找出 ISR的入口地址,然后跳转过去执行。不需要像以前的 ARM那样,由软件来分辨到底是哪个中断发生了,也无需半导体厂商提供私有的中断控制器来完成这种工作。这么一来,中断延迟时间大为缩短。

5)存储器映射

Cortex-M3支持4G存储空间,具体分配如下图:

 

6)总线接口

Cortex-M3内部有若干个总线接口,以使 CM3能同时取址和访内(访问内存),它们是:

· 

指令存储区总线(两条)

· 

· 

系统总线

· 

· 

私有外设总线

· 

有两条代码存储区总线负责对代码存储区的访问,分别是 I-Code 总线和 D-Code 总线。前者用于取指,后者用于查表等操作,它们按最佳执行速度进行优化。

系统总线用于访问内存和外设,覆盖的区域包括 SRAM,片上外设,片外 RAM,片外扩展设备,以及系统级存储区的部分空间。

私有外设总线负责一部分私有外设的访问,主要就是访问调试组件。它们也在系统级存储区。

7)存储器保护单元(MPU

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。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) 。

8Cortex-M3的简评

1、高性能

许多指令都是单周期的——包括乘法相关指令。并且从整体性能上,Cortex-M3比得过绝大多数其它的架构。

指令总线和数据总线被分开,取值和访内可以并行不悖。

Thumb-2的到来告别了状态切换的旧世代,再也不需要花时间来切换于 32位 ARM状态和16Thumb状态之间了。这简化了软件开发和代码维护,使产品面市更快。

Thumb-2指令集为编程带来了更多的灵活性。许多数据操作现在能用更短的代码搞定,这意味着 Cortex-M3的代码密度更高,也就对存储器的需求更少。

取指都按 32位处理。同一周期最多可以取出两条指令,留下了更多的带宽给数据传输。

Cortex-M3的设计允许单片机高频运行,即使在相同的速度下运行,CM3的每指令周期数(CPI)也更低,于是同样的 MHz下可以做更多的工作;另一方面,也使同一个应用在 CM3上需要更低的主频。

2、先进的中断处理功能

内建的嵌套向量中断控制器支持240条外部中断输入。向量化的中断功能大大减少了中断延迟,因为不在需要软件去判断中断源。中断的嵌套也是在硬件水平上实现的,不需要软件代码来实现。

Cortex-M3在进入异常服务例程时,自动压栈了 R0-R3, R12, LR, PSR PC,并且在返回时自动弹出它们,这多清爽!既加速了中断的响应,也再不需要汇编语言代码了。

NVIC支持对每一路中断设置不同的优先级,使得中断管理极富弹性。最粗线条的实现也至少要支持 8级优先级,而且还能动态地被修改。

优化中断响应还有两招,它们分别是咬尾中断机制晚到中断机制

有些需要较多周期才能执行完的指令,是可以被中断-继续的——就好比它们是一串指令一样。这些指令包括加载多个寄存器(LDM),存储多个寄存器(STM),多个寄存器参与的PUSH,以及多个寄存器参与的 POP

除非系统被彻底地锁定,NMI会在收到请求的第一时间予以响应。对很多安全-关键的应用是必不可少的。

 

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