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标题: ARM Cortex-M3架构详解 [打印本页]

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作者: 郭卫东    时间: 2024-12-1 18:14
标题: ARM Cortex-M3架构详解
ARM Cortex-M3架构详解

1. 引言

ARM Cortex-M3 是 ARM 公司推出的一种高性能、低功耗、低本钱的 32 位 RISC 微处置惩罚器架构，广泛应用于嵌入式系统中。本节将详细介绍 ARM Cortex-M3 架构的特点、内部布局、寄存器配置和停止处置惩罚机制。
2. 架构特点

2.1 32位 RISC 架构

ARM Cortex-M3 是一种基于 RISC（精简指令集计算机）架构的处置惩罚器。RISC 架构的特点是：

• 固定长度指令：每条指令的长度都是固定的，通常为 32 位。
  
• 简单指令集：指令集计划简单，每条指令的功能明确。
  
• 流水线操作：采取多级流水线，提高指令执行效率。
  
• 寄存器文件：大量的通用寄存器，淘汰内存访问次数。
  

2.2 高性能计划

• 单周期乘法：支持单周期乘法操作，提高计算效率。
  
• 硬件除法：支持硬件除法，淘汰软件实现的开销。
  
• 分支推测：支持简单的分支推测，淘汰分支耽误。
  
• Thumb-2 指令集：支持 Thumb-2 指令集，可以在 16 位和 32 位指令之间灵活切换，提高代码密度和执行效率。
  

2.3 低功耗计划

• 动态功耗管理：支持多种功耗管理模式，如就寝模式和深度就寝模式。
  
• 低功耗时钟源：支持多种低功耗时钟源，如低频晶振和内部 RC 振荡器。
  
• 功耗优化的外设：外设计划考虑功耗优化，支持独立运行和低功耗模式。
  

2.4 高可靠性计划

• 内存保护单元 (MPU)：支持内存保护单元，提高系统的安全性。
  
• 故障捕获：支持多种故障捕获机制，如总线故障、存储器管理故障和使用故障。
  
• 调试支持：提供丰富的调试支持，如 JTAG 和 SWD 接口。
  

3. 内部布局

3.1 焦点组件

3.1.1 处置惩罚器核

ARM Cortex-M3 处置惩罚器核包括以下几个主要部门：

• 指令流水线：3 级流水线，包括取指、译码和执行阶段。
  
• 寄存器文件：32 个 32 位通用寄存器，包括 R0-R12、SP（R13）、LR（R14）和 PC（R15）。
  
• 状态寄存器：包括步调状态寄存器（PSR）、控制寄存器（Control Register）和停止屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register）。
  

3.1.2 存储器系统

• 内存映射：内存地址空间分为多个区域，每个区域有不同的访问权限和功能。
  
• 存储器管理单元 (MPU)：可选的存储器管理单元，用于保护内存区域。
  
• 高速缓存：不支持高速缓存，但支持指令预取和数据存储器加速。
  

3.1.3 停止系统

• 嵌套向量停止控制器 (NVIC)：管理停止优先级和嵌套停止。
  
• 系统异常：包括复位、NMI、硬故障、总线故障、使用故障等。
  
• 停止向量表：包含停止向量地址，用于快速相应停止。
  

3.2 流水线操作

3.2.1 取指阶段 (Fetch)

从内存中取出指令并放入指令流水线。
3.2.2 译码阶段 (Decode)

将取出的指令解码为微操作，准备执行。
3.2.3 执行阶段 (Execute)

执行解码后的微操作，完成指令的功能。
3.3 寄存器配置

3.3.1 通用寄存器

• R0-R12：通用寄存器，用于数据操作。
  
• R13：堆栈指针（SP），用于管理堆栈。
  
• R14：链接寄存器（LR），用于存储子步调返回地址。
  
• R15：步调计数器（PC），用于存储下一条指令的地址。
  

3.3.2 状态寄存器

• 步调状态寄存器 (PSR)：包含当前处置惩罚器状态信息，如标志位和模式位。
  
• 控制寄存器 (Control Register)：用于控制处置惩罚器的多种模式。
  
• 停止屏蔽寄存器 (Interrupt Mask Register)：用于控制停止的优先级和屏蔽。
  

3.4 存储器访问

3.4.1 内存映射

ARM Cortex-M3 的内存地址空间通常分为以下几个区域：

• 闪存：用于存储步调代码。
  
• SRAM：用于存储数据和堆栈。
  
• 外设寄存器：用于控制外设。
  
• 系统控制寄存器：用于系统配置和调试。
  

3.4.2 存储器管理单元 (MPU)

MPU 可以配置多个区域，每个区域有不同的访问权限和属性。通过 MPU，可以保护关键的内存区域，防止非法访问。
3.5 停止处置惩罚

3.5.1 嵌套向量停止控制器 (NVIC)

NVIC 是 ARM Cortex-M3 中的重要组件，用于管理和控制停止。它支持多个停止源，并可以配置停止优先级和嵌套停止。
3.5.2 停止向量表

停止向量表包含各个停止向量的地址，处置惩罚器在发生停止时会跳转到相应的停止处置惩罚步调。停止向量表通常位于闪存的起始地址。
3.5.3 系统异常

系统异常是一类特别的停止，用于处置惩罚系统的各种异常环境，如复位、NMI、硬故障等。
4. 指令集

4.1 Thumb-2 指令集

Thumb-2 指令集是 ARM Cortex-M3 的一大特点，它结合了 16 位和 32 位指令的上风：

• 16位指令：用于提高代码密度，淘汰内存占用。
  
• 32位指令：用于提高指令执行效率，支持复杂的操作。
  

4.2 常用指令

4.2.1 数据处置惩罚指令

• MOV：移动数据
  
• ADD：加法
  
• SUB：减法
  
• AND：逻辑与
  
• ORR：逻辑或
  
• EOR：逻辑异或
  
• LSL：逻辑左移
  
• LSR：逻辑右移
  

4.2.2 存储器访问指令

• LDR：加载数据到寄存器
  
• STR：存储数据到内存
  
• LDM：批量加载数据到寄存器
  
• STM：批量存储数据到内存
  

4.2.3 分支指令

• B：无条件跳转
  
• BL：带链接的跳转
  
• BX：改变步调状态寄存器（PSR）的模式
  
• BGE：大于即是跳转
  

4.3 指令示例

4.3.1 数据处置惩罚指令示例

1. // 将寄存器 R1 的值加 1 并存储到 R2
2. ADD R2, R1, #1
4. // 将寄存器 R1 和 R2 的值进行逻辑与操作，结果存储到 R3
5. AND R3, R1, R2
7. // 将寄存器 R1 的值左移 2 位，结果存储到 R2
8. LSL R2, R1, #2

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4.3.2 存储器访问指令示例

1. // 从地址 0x20000000 加载一个 32 位数据到寄存器 R0
2. LDR R0, [0x20000000]
4. // 将寄存器 R1 的值存储到地址 0x20000004
5. STR R1, [0x20000004]
7. // 从地址 0x20000008 开始批量加载 4 个 32 位数据到寄存器 R2-R5
8. LDM R2, R5, [0x20000008]!
10. // 从寄存器 R2 开始批量存储 4 个 32 位数据到地址 0x2000000C
11. STM R2, R5, [0x2000000C]!

复制代码

4.3.3 分支指令示例

1. // 无条件跳转到地址 0x00000100
2. B 0x00000100
4. // 跳转到地址 0x00000200，并将返回地址存储到寄存器 LR
5. BL 0x00000200
7. // 跳转到寄存器 R1 中的地址
8. BX R1
10. // 如果寄存器 R0 大于等于寄存器 R1，跳转到 label
11. CMP R0, R1
12. BGE label

复制代码

5. 停止和异常处置惩罚

5.1 停止向量表

停止向量表通常位于闪存的起始地址，包含各个停止和异常的处置惩罚步调地址。以下是一个典范的停止向量表布局：

1. // 中断向量表
2. VECTOR_TABLE:
3.     .word _estack              // 栈顶地址
4.     .word Reset_Handler        // 复位中断处理程序
5.     .word NMI_Handler          // NMI 中断处理程序
6.     .word Hard_Fault_Handler   // 硬故障处理程序
7.     .word MemManage_Handler    // 存储器管理故障处理程序
8.     .word Bus_Fault_Handler    // 总线故障处理程序
9.     .word Usage_Fault_Handler  // 使用故障处理程序
10.     .word 0                    // 保留
11.     .word 0                    // 保留
12.     .word 0                    // 保留
13.     .word 0                    // 保留
14.     .word SVC_Handler           // 服务调用处理程序
15.     .word DebugMon_Handler      // 调试监控处理程序
16.     .word 0                    // 保留
17.     .word PendSV_Handler        // 挂起服务处理程序
18.     .word SysTick_Handler       // 系统定时器处理程序
19.     .word IRQ0_Handler          // 中断 0 处理程序
20.     .word IRQ1_Handler          // 中断 1 处理程序
21.     // 其他中断处理程序

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5.2 停止处置惩罚步调

停止处置惩罚步调的编写需要遵循一定的规范，以确保停止可以或许正确处置惩罚。以下是一个简单的停止处置惩罚步调示例：

1. // 外部中断 0 处理程序
2. void IRQ0_Handler(void) {
3.     // 处理中断
4.     // 例如：读取某个 GPIO 引脚的状态
5.     uint32_t gpio_status = LPC_GPIO0->FIOPIN;
6.    
7.     // 根据 GPIO 状态进行相应处理
8.     if (gpio_status & (1 << 0)) {
9.         // 引脚 0 高电平
10.         // 执行相应操作
11.     } else {
12.         // 引脚 0 低电平
13.         // 执行相应操作
14.     }
15.    
16.     // 清除中断标志
17.     LPC_GPIO0->FIOPIN = 0x00;
18. }
20. // 系统定时器中断处理程序
21. void SysTick_Handler(void) {
22.     static uint32_t counter = 0;
23.    
24.     // 增加计数器
25.     counter++;
26.    
27.     // 每 10 次中断，执行一次任务
28.     if (counter >= 10) {
29.         // 执行任务
30.         // 例如：更新某个外设的状态
31.         counter = 0;
32.     }
33. }

复制代码

5.3 系统异常处置惩罚

系统异常处置惩罚步调用于处置惩罚系统的各种异常环境。以下是一个简单的硬故障处置惩罚步调示例：

1. // 硬故障处理程序
2. void Hard_Fault_Handler(void) {
3.     // 保存当前状态
4.     uint32_t stacked_r0;
5.     uint32_t stacked_r1;
6.     uint32_t stacked_r2;
7.     uint32_t stacked_r3;
8.     uint32_t stacked_r12;
9.     uint32_t stacked_lr;
10.     uint32_t stacked_pc;
11.     uint32_t stacked_psr;
12.    
13.     __asm volatile (
14.         "TST lr, #4\t\n"
15.         "ITE EQ\t\n"
16.         "MRSEQ r0, msp\t\n"
17.         "MRSNE r0, psp\t\n"
18.         "BIC r1, lr, #4\t\n"
19.         "TST r1, #0xC\t\n"
20.         "BNE lr_not_8_or_12\t\n"
21.         "LDR r2, [r0, #24]\t\n"  // stacked PC
22.         "B lr_is_8_or_12\t\n"
23.         "lr_not_8_or_12:\t\n"
24.         "MOVS r2, lr\t\n"
25.         "LSLS r2, r2, #30\t\n"
26.         "LSRS r2, r2, #30\t\n"
27.         "TST r2, #2\t\n"
28.         "BNE in_handler\t\n"
29.         "LDR r2, [r0, #18]\t\n"  // stacked PC
30.         "B lr_processed\t\n"
31.         "in_handler:\t\n"
32.         "LDR r2, [r0, #30]\t\n"  // handler mode SP
33.         "SUBS r2, r2, #4\t\n"
34.         "LDR r2, [r2]\t\n"      // stacked PC
35.         "lr_processed:\t\n"
36.         "LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PSR
37.         "LDR r12, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R12
38.         "LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
39.         "LDR r0, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R0
40.         "LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
41.         "LDR r2, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R2
42.         "LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R3
43.         "LDR lr, [r2, #-4]!\t\n" // stacked LR
44.         "LDR pc, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PC
45.     );
46.    
47.     // 打印硬故障信息
48.     printf("Hard Fault!\n");
49.    
50.     // 挂起系统
51.     while (1) {
52.         // 无限循环
53.     }
54. }

复制代码

6. 调试支持

6.1 JTAG 接口

JTAG（团结测试行动组）接口是一种标准的调试接口，支持边界扫描测试和调试功能。ARM Cortex-M3 支持 JTAG 接口，可以使用 JTAG 调试器进行调试。
6.2 SWD 接口

SWD（串行线调试）接口是 ARM 公司推出的一种新的调试接口，比 JTAG 接口更简单、更高效。ARM Cortex-M3 支持 SWD 接口，可以使用 SWD 调试器进行调试。
6.3 调试示例

以下是一个使用 SWD 接口进行调试的示例：

1. #include <stdio.h>
2. #include "LPC17xx.h"
4. int main(void) {
5.     // 初始化 GPIO
6.     LPC_PINCON->PINSEL0 &= ~(0x3 << 0);  // 设置 P0.0 为 GPIO 功能
7.     LPC_GPIO0->FIOSET = (1 << 0);        // 设置 P0.0 为高电平
8.     LPC_GPIO0->FIODIR = (1 << 0);        // 设置 P0.0 为输出
10.     while (1) {
11.         // 翻转 P0.0 引脚的状态
12.         LPC_GPIO0->FIOSET = (1 << 0);
13.         for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++) {
14.             // 延时
15.         }
16.         LPC_GPIO0->FIOCLR = (1 << 0);
17.         for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++) {
18.             // 延时
19.         }
20.         
21.         // 设置断点
22.         __asm volatile ("bkpt #0");
23.     }
24.    
25.     return 0;
26. }

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6.4 调试工具

常用的调试工具包括：

• Keil uVision：集成开发环境，支持 ARM Cortex-M3 的调试。
  
• CMSIS-DAP：基于 USB 的调试接口，支持 SWD 调试。
  
• OpenOCD：开源的调试和编程工具，支持 JTAG 和 SWD 接口。
  

7. 总结

ARM Cortex-M3 架构具有高性能、低功耗和高可靠性的特点，恰当应用于各种嵌入式系统。本节详细介绍了 ARM Cortex-M3 的内部布局、流水线操作、寄存器配置、停止处置惩罚和调试支持，为后续的学习和开发提供了坚固的基础。

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ARM Cortex-M3架构详解

1. 引言

ARM Cortex-M3 是 ARM 公司推出的一种高性能、低功耗、低本钱的 32 位 RISC 微处置惩罚器架构，广泛应用于嵌入式系统中。本节将详细介绍 ARM Cortex-M3 架构的特点、内部布局、寄存器配置和停止处置惩罚机制。为了更好地理解这些内容，我们将重复一些前文的关键信息，并在此基础上继承深入探讨。
2. 架构特点

2.1 32位 RISC 架构

ARM Cortex-M3 是一种基于 RISC（精简指令集计算机）架构的处置惩罚器。RISC 架构的特点是：

• 固定长度指令：每条指令的长度都是固定的，通常为 32 位。
  
• 简单指令集：指令集计划简单，每条指令的功能明确。
  
• 流水线操作：采取多级流水线，提高指令执行效率。
  
• 寄存器文件：大量的通用寄存器，淘汰内存访问次数。
  

2.2 高性能计划

• 单周期乘法：支持单周期乘法操作，提高计算效率。
  
• 硬件除法：支持硬件除法，淘汰软件实现的开销。
  
• 分支推测：支持简单的分支推测，淘汰分支耽误。
  
• Thumb-2 指令集：支持 Thumb-2 指令集，可以在 16 位和 32 位指令之间灵活切换，提高代码密度和执行效率。
  

2.3 低功耗计划

• 动态功耗管理：支持多种功耗管理模式，如就寝模式和深度就寝模式。
  
• 低功耗时钟源：支持多种低功耗时钟源，如低频晶振和内部 RC 振荡器。
  
• 功耗优化的外设：外设计划考虑功耗优化，支持独立运行和低功耗模式。
  

2.4 高可靠性计划

• 内存保护单元 (MPU)：支持内存保护单元，提高系统的安全性。
  
• 故障捕获：支持多种故障捕获机制，如总线故障、存储器管理故障和使用故障。
  
• 调试支持：提供丰富的调试支持，如 JTAG 和 SWD 接口。
  

3. 内部布局

3.1 焦点组件

3.1.1 处置惩罚器核

ARM Cortex-M3 处置惩罚器核包括以下几个主要部门：

• 指令流水线：3 级流水线，包括取指、译码和执行阶段。
  
• 寄存器文件：32 个 32 位通用寄存器，包括 R0-R12、SP（R13）、LR（R14）和 PC（R15）。
  
• 状态寄存器：包括步调状态寄存器（PSR）、控制寄存器（Control Register）和停止屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register）。
  

3.1.2 存储器系统

• 内存映射：内存地址空间分为多个区域，每个区域有不同的访问权限和功能。
  
• 存储器管理单元 (MPU)：可选的存储器管理单元，用于保护内存区域。
  
• 高速缓存：不支持高速缓存，但支持指令预取和数据存储器加速。
  

3.1.3 停止系统

• 嵌套向量停止控制器 (NVIC)：管理停止优先级和嵌套停止。
  
• 系统异常：包括复位、NMI、硬故障、总线故障、使用故障等。
  
• 停止向量表：包含停止向量地址，用于快速相应停止。
  

3.2 流水线操作

3.2.1 取指阶段 (Fetch)

从内存中取出指令并放入指令流水线。
3.2.2 译码阶段 (Decode)

将取出的指令解码为微操作，准备执行。
3.2.3 执行阶段 (Execute)

执行解码后的微操作，完成指令的功能。
3.3 寄存器配置

3.3.1 通用寄存器

• R0-R12：通用寄存器，用于数据操作。
  
• R13：堆栈指针（SP），用于管理堆栈。
  
• R14：链接寄存器（LR），用于存储子步调返回地址。
  
• R15：步调计数器（PC），用于存储下一条指令的地址。
  

3.3.2 状态寄存器

• 步调状态寄存器 (PSR)：包含当前处置惩罚器状态信息，如标志位和模式位。
  
• 控制寄存器 (Control Register)：用于控制处置惩罚器的多种模式。
  
• 停止屏蔽寄存器 (Interrupt Mask Register)：用于控制停止的优先级和屏蔽。
  

3.4 存储器访问

3.4.1 内存映射

ARM Cortex-M3 的内存地址空间通常分为以下几个区域：

• 闪存：用于存储步调代码。
  
• SRAM：用于存储数据和堆栈。
  
• 外设寄存器：用于控制外设。
  
• 系统控制寄存器：用于系统配置和调试。
  

3.4.2 存储器管理单元 (MPU)

MPU 可以配置多个区域，每个区域有不同的访问权限和属性。通过 MPU，可以保护关键的内存区域，防止非法访问。
3.5 停止处置惩罚

3.5.1 嵌套向量停止控制器 (NVIC)

NVIC 是 ARM Cortex-M3 中的重要组件，用于管理和控制停止。它支持多个停止源，并可以配置停止优先级和嵌套停止。
3.5.2 停止向量表

停止向量表通常位于闪存的起始地址，包含各个停止和异常的处置惩罚步调地址。以下是一个典范的停止向量表布局：

1. // 中断向量表
2. VECTOR_TABLE:
3.     .word _estack              // 栈顶地址
4.     .word Reset_Handler        // 复位中断处理程序
5.     .word NMI_Handler          // NMI 中断处理程序
6.     .word Hard_Fault_Handler   // 硬故障处理程序
7.     .word MemManage_Handler    // 存储器管理故障处理程序
8.     .word Bus_Fault_Handler    // 总线故障处理程序
9.     .word Usage_Fault_Handler  // 使用故障处理程序
10.     .word 0                    // 保留
11.     .word 0                    // 保留
12.     .word 0                    // 保留
13.     .word 0                    // 保留
14.     .word SVC_Handler           // 服务调用处理程序
15.     .word DebugMon_Handler      // 调试监控处理程序
16.     .word 0                    // 保留
17.     .word PendSV_Handler        // 挂起服务处理程序
18.     .word SysTick_Handler       // 系统定时器处理程序
19.     .word IRQ0_Handler          // 中断 0 处理程序
20.     .word IRQ1_Handler          // 中断 1 处理程序
21.     // 其他中断处理程序

复制代码

3.5.3 系统异常处置惩罚

系统异常处置惩罚步调用于处置惩罚系统的各种异常环境。以下是一个简单的硬故障处置惩罚步调示例：

1. // 硬故障处理程序
2. void Hard_Fault_Handler(void) {
3.     // 保存当前状态
4.     uint32_t stacked_r0;
5.     uint32_t stacked_r1;
6.     uint32_t stacked_r2;
7.     uint32_t stacked_r3;
8.     uint32_t stacked_r12;
9.     uint32_t stacked_lr;
10.     uint32_t stacked_pc;
11.     uint32_t stacked_psr;
12.    
13.     __asm volatile (
14.         "TST lr, #4\t\n"
15.         "ITE EQ\t\n"
16.         "MRSEQ r0, msp\t\n"
17.         "MRSNE r0, psp\t\n"
18.         "BIC r1, lr, #4\t\n"
19.         "TST r1, #0xC\t\n"
20.         "BNE lr_not_8_or_12\t\n"
21.         "LDR r2, [r0, #24]\t\n"  // stacked PC
22.         "B lr_is_8_or_12\t\n"
23.         "lr_not_8_or_12:\t\n"
24.         "MOVS r2, lr\t\n"
25.         "LSLS r2, r2, #30\t\n"
26.         "LSRS r2, r2, #30\t\n"
27.         "TST r2, #2\t\n"
28.         "BNE in_handler\t\n"
29.         "LDR r2, [r0, #18]\t\n"  // stacked PC
30.         "B lr_processed\t\n"
31.         "in_handler:\t\n"
32.         "LDR r2, [r0, #30]\t\n"  // handler mode SP
33.         "SUBS r2, r2, #4\t\n"
34.         "LDR r2, [r2]\t\n"      // stacked PC
35.         "lr_processed:\t\n"
36.         "LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PSR
37.         "LDR r12, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R12
38.         "LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
39.         "LDR r0, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R0
40.         "LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
41.         "LDR r2, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R2
42.         "LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R3
43.         "LDR lr, [r2, #-4]!\t\n" // stacked LR
44.         "LDR pc, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PC
45.     );
46.    
47.     // 打印硬故障信息
48.     printf("Hard Fault!\n");
49.    
50.     // 挂起系统
51.     while (1) {
52.         // 无限循环
53.     }
54. }

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4. 指令集

4.1 Thumb-2 指令集

Thumb-2 指令集是 ARM Cortex-M3 的一大特点，它结合了 16 位和 32 位指令的上风：

• 16位指令：用于提高代码密度，淘汰内存占用。
  
• 32位指令：用于提高指令执行效率，支持复杂的操作。
  

4.2 常用指令

4.2.1 数据处置惩罚指令

• MOV：移动数据
  
• ADD：加法
  
• SUB：减法
  
• AND：逻辑与
  
• ORR：逻辑或
  
• EOR：逻辑异或
  
• LSL：逻辑左移
  
• LSR：逻辑右移
  

4.2.2 存储器访问指令

• LDR：加载数据到寄存器
  
• STR：存储数据到内存
  
• LDM：批量加载数据到寄存器
  
• STM：批量存储数据到内存
  

4.2.3 分支指令

• B：无条件跳转
  
• BL：带链接的跳转
  
• BX：改变步调状态寄存器（PSR）的模式
  
• BGE：大于即是跳转
  

4.3 指令示例

4.3.1 数据处置惩罚指令示例

1. // 将寄存器 R1 的值加 1 并存储到 R2
2. ADD R2, R1, #1
4. // 将寄存器 R1 和 R2 的值进行逻辑与操作，结果存储到 R3
5. AND R3, R1, R2
7. // 将寄存器 R1 的值左移 2 位，结果存储到 R2
8. LSL R2, R1, #2

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4.3.2 存储器访问指令示例

1. // 从地址 0x20000000 加载一个 32 位数据到寄存器 R0
2. LDR R0, [0x20000000]
4. // 将寄存器 R1 的值存储到地址 0x20000004
5. STR R1, [0x20000004]
7. // 从地址 0x20000008 开始批量加载 4 个 32 位数据到寄存器 R2-R5
8. LDM R2, R5, [0x20000008]!
10. // 从寄存器 R2 开始批量存储 4 个 32 位数据到地址 0x2000000C
11. STM R2, R5, [0x2000000C]!

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4.3.3 分支指令示例

1. // 无条件跳转到地址 0x00000100
2. B 0x00000100
4. // 跳转到地址 0x00000200，并将返回地址存储到寄存器 LR
5. BL 0x00000200
7. // 跳转到寄存器 R1 中的地址
8. BX R1
10. // 如果寄存器 R0 大于等于寄存器 R1，跳转到 label
11. CMP R0, R1
12. BGE label

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5. 停止和异常处置惩罚

5.1 停止向量表

停止向量表通常位于闪存的起始地址，包含各个停止和异常的处置惩罚步调地址。以下是一个典范的停止向量表布局：

1. // 中断向量表
2. VECTOR_TABLE:
3.     .word _estack              // 栈顶地址
4.     .word Reset_Handler        // 复位中断处理程序
5.     .word NMI_Handler          // NMI 中断处理程序
6.     .word Hard_Fault_Handler   // 硬故障处理程序
7.     .word MemManage_Handler    // 存储器管理故障处理程序
8.     .word Bus_Fault_Handler    // 总线故障处理程序
9.     .word Usage_Fault_Handler  // 使用故障处理程序
10.     .word 0                    // 保留
11.     .word 0                    // 保留
12.     .word 0                    // 保留
13.     .word 0                    // 保留
14.     .word SVC_Handler           // 服务调用处理程序
15.     .word DebugMon_Handler      // 调试监控处理程序
16.     .word 0                    // 保留
17.     .word PendSV_Handler        // 挂起服务处理程序
18.     .word SysTick_Handler       // 系统定时器处理程序
19.     .word IRQ0_Handler          // 中断 0 处理程序
20.     .word IRQ1_Handler          // 中断 1 处理程序
21.     // 其他中断处理程序

复制代码

5.2 停止处置惩罚步调

停止处置惩罚步调的编写需要遵循一定的规范，以确保停止可以或许正确处置惩罚。以下是一个简单的停止处置惩罚步调示例：

1. // 外部中断 0 处理程序
2. void IRQ0_Handler(void) {
3.     // 处理中断
4.     // 例如：读取某个 GPIO 引脚的状态
5.     uint32_t gpio_status = LPC_GPIO0->FIOPIN;
6.    
7.     // 根据 GPIO 状态进行相应处理
8.     if (gpio_status & (1 << 0)) {
9.         // 引脚 0 高电平
10.         // 执行相应操作
11.     } else {
12.         // 引脚 0 低电平
13.         // 执行相应操作
14.     }
15.    
16.     // 清除中断标志
17.     LPC_GPIO0->FIOPIN = 0x00;
18. }
20. // 系统定时器中断处理程序
21. void SysTick_Handler(void) {
22.     static uint32_t counter = 0;
23.    
24.     // 增加计数器
25.     counter++;
26.    
27.     // 每 10 次中断，执行一次任务
28.     if (counter >= 10) {
29.         // 执行任务
30.         // 例如：更新某个外设的状态
31.         counter = 0;
32.     }
33. }

复制代码

5.3 系统异常处置惩罚

系统异常处置惩罚步调用于处置惩罚系统的各种异常环境。以下是一个简单的硬故障处置惩罚步调示例：

1. // 硬故障处理程序
2. void Hard_Fault_Handler(void) {
3.     // 保存当前状态
4.     uint32_t stacked_r0;
5.     uint32_t stacked_r1;
6.     uint32_t stacked_r2;
7.     uint32_t stacked_r3;
8.     uint32_t stacked_r12;
9.     uint32_t stacked_lr;
10.     uint32_t stacked_pc;
11.     uint32_t stacked_psr;
12.    
13.     __asm volatile (
14.         "TST lr, #4\t\n"
15.         "ITE EQ\t\n"
16.         "MRSEQ r0, msp\t\n"
17.         "MRSNE r0, psp\t\n"
18.         "BIC r1, lr, #4\t\n"
19.         "TST r1, #0xC\t\n"
20.         "BNE lr_not_8_or_12\t\n"
21.         "LDR r2, [r0, #24]\t\n"  // stacked PC
22.         "B lr_is_8_or_12\t\n"
23.         "lr_not_8_or_12:\t\n"
24.         "MOVS r2, lr\t\n"
25.         "LSLS r2, r2, #30\t\n"
26.         "LSRS r2, r2, #30\t\n"
27.         "TST r2, #2\t\n"
28.         "BNE in_handler\t\n"
29.         "LDR r2, [r0, #18]\t\n"  // stacked PC
30.         "B lr_processed\t\n"
31.         "in_handler:\t\n"
32.         "LDR r2, [r0, #30]\t\n"  // handler mode SP
33.         "SUBS r2, r2, #4\t\n"
34.         "LDR r2, [r2]\t\n"      // stacked PC
35.         "lr_processed:\t\n"
36.         "LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PSR
37.         "LDR r12, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R12
38.         "LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
39.         "LDR r0, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R0
40.         "LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
41.         "LDR r2, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R2
42.         "LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R3
43.         "LDR lr, [r2, #-4]!\t\n" // stacked LR
44.         "LDR pc, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PC
45.     );
46.    
47.     // 打印硬故障信息
48.     printf("Hard Fault!\n");
49.    
50.     // 挂起系统
51.     while (1) {
52.         // 无限循环
53.     }
54. }

复制代码

5.4 停止优先级和嵌套

ARM Cortex-M3 支持多个停止源，并且每个停止源都有一个优先级。NVIC 可以配置停止优先级，以便在多个停止同时发生时确定处置惩罚次序。别的，ARM Cortex-M3 还支持嵌套停止，即在处置惩罚一个停止时可以被更高优先级的停止打断。
5.4.1 停止优先级配置

停止优先级可以通过 NVIC 的停止优先级寄存器（IPR）进行配置。以下是一个配置停止优先级的示例：

1. // 配置中断 0 的优先级为 1
2. NVIC_SetPriority(IRQ0_IRQn, 1);
4. // 配置中断 1 的优先级为 2
5. NVIC_SetPriority(IRQ1_IRQn, 2);

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5.4.2 嵌套停止示例

1. // 假设中断 0 的优先级高于中断 1
3. // 中断 0 处理程序
4. void IRQ0_Handler(void) {
5.     // 处理中断 0
6.     // 例如：读取某个 GPIO 引脚的状态
7.     uint32_t gpio_status = LPC_GPIO0->FIOPIN;
8.    
9.     // 根据 GPIO 状态进行相应处理
10.     if (gpio_status & (1 << 0)) {
11.         // 引脚 0 高电平
12.         // 执行相应操作
13.     } else {
14.         // 引脚 0 低电平
15.         // 执行相应操作
16.     }
17.    
18.     // 清除中断标志
19.     LPC_GPIO0->FIOPIN = 0x00;
20. }
22. // 中断 1 处理程序
23. void IRQ1_Handler(void) {
24.     // 处理中断 1
25.     // 例如：读取某个 ADC 的值
26.     uint32_t adc_value = LPC_ADC->ADGDR;
27.    
28.     // 根据 ADC 值进行相应处理
29.     if (adc_value > 1000) {
30.         // 执行相应操作
31.     } else {
32.         // 执行相应操作
33.     }
34.    
35.     // 清除中断标志
36.     LPC_ADC->ADGDR = 0x00;
37. }

复制代码

在上述示例中，假如停止 1 正在处置惩罚，停止 0 发生且优先级更高，那么停止 0 会打断停止 1 的处置惩罚，先处置惩罚停止 0。处置惩罚完停止 0 后，再继承处置惩罚停止 1。
6. 调试支持

6.1 JTAG 接口

JTAG（团结测试行动组）接口是一种标准的调试接口，支持边界扫描测试和调试功能。ARM Cortex-M3 支持 JTAG 接口，可以使用 JTAG 调试器进行调试。
6.2 SWD 接口

SWD（串行线调试）接口是 ARM 公司推出的一种新的调试接口，比 JTAG 接口更简单、更高效。ARM Cortex-M3 支持 SWD 接口，可以使用 SWD 调试器进行调试。
6.3 调试示例

以下是一个使用 SWD 接口进行调试的示例：

1. #include <stdio.h>
2. #include "LPC17xx.h"
4. int main(void) {
5.     // 初始化 GPIO
6.     LPC_PINCON->PINSEL0 &= ~(0x3 << 0);  // 设置 P0.0 为 GPIO 功能
7.     LPC_GPIO0->FIOSET = (1 << 0);        // 设置 P0.0 为高电平
8.     LPC_GPIO0->FIODIR = (1 << 0);        // 设置 P0.0 为输出
10.     while (1) {
11.         // 翻转 P0.0 引脚的状态
12.         LPC_GPIO0->FIOSET = (1 << 0);
13.         for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++) {
14.             // 延时
15.         }
16.         LPC_GPIO0->FIOCLR = (1 << 0);
17.         for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++) {
18.             // 延时
19.         }
20.         
21.         // 设置断点
22.         __asm volatile ("bkpt #0");
23.     }
24.    
25.     return 0;
26. }

复制代码

6.4 调试工具

常用的调试工具包括：

• Keil uVision：集成开发环境，支持 ARM Cortex-M3 的调试。
  
• CMSIS-DAP：基于 USB 的调试接口，支持 SWD 调试。
  
• OpenOCD：开源的调试和编程工具，支持 JTAG 和 SWD 接口。
  

7. 总结

ARM Cortex-M3 架构具有高性能、低功耗和高可靠性的特点，恰当应用于各种嵌入式系统。本节详细介绍了 ARM Cortex-M3 的内部布局、流水线操作、寄存器配置、停止处置惩罚和调试支持，为后续的学习和开发提供了坚固的基础。
7.1 内部布局回首

ARM Cortex-M3 的内部布局包括：

• 处置惩罚器核：3 级流水线，32 个 32 位通用寄存器。
  
• 存储器系统：内存映射、可选的存储器管理单元（MPU）、指令预取和数据存储器加速。
  
• 停止系统：嵌套向量停止控制器（NVIC）、系统异常和停止向量表。
  

7.2 流水线操作回首

流水线操作分为三个阶段：

• 取指阶段 (Fetch)：从内存中取出指令并放入指令流水线。
  
• 译码阶段 (Decode)：将取出的指令解码为微操作，准备执行。
  
• 执行阶段 (Execute)：执行解码后的微操作，完成指令的功能。
  

7.3 寄存器配置回首

寄存器配置包括：

• 通用寄存器：R0-R12、SP（R13）、LR（R14）和 PC（R15）。
  
• 状态寄存器：步调状态寄存器（PSR）、控制寄存器（Control Register）和停止屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register）。
  

7.4 存储器访问回首

存储器访问包括：

• 内存映射：闪存、SRAM、外设寄存器和系统控制寄存器。
  
• 存储器管理单元 (MPU)：用于保护内存区域，防止非法访问。
  

7.5 停止处置惩罚回首

停止处置惩罚包括：

• 停止向量表：位于闪存的起始地址，包含停止和异常的处置惩罚步调地址。
  
• 停止处置惩罚步调：用于处置惩罚特定的停止事件。
  
• 系统异常处置惩罚：用于处置惩罚系统的各种异常环境，如硬故障、总线故障等。
  

7.6 调试支持回首

调试支持包括：

• JTAG 接口：标准的调试接口，支持边界扫描测试和调试。
  
• SWD 接口：比 JTAG 更简单、更高效的调试接口。
  
• 调试工具：Keil uVision、CMSIS-DAP 和 OpenOCD 等。
  

通过以上内容，我们对 ARM Cortex-M3 架构有了全面的相识。渴望这些信息可以或许帮助你在嵌入式系统开发中更好地使用 ARM Cortex-M3 的上风。

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