学习笔记（三）——Cortex-M3
一、Cortex-M3简介
1.1 ARM Cortex-M3
业界对单片机的要求越来越高，硬件上要求更多的诸如以太网等外设，软件方面也要求更高的运算速度和更多的功能模块，在这个环境下，ARM Cortex-M3作为32位单片机诞生了。Cortex-M3有以下优势是的CM3在业界脱颖而出：
（1）性能强劲
（2）功耗低
（3）实时性好
（4）成本低
（5）开发和使用方便
CM3是单片机（MCU）的CPU，完整的MCU还需要包括存储器、I/O、时钟、外设等配置。ARM公司只提供处理器的设计授权给各个半导体公司，让其自己设计芯片。ARM公司设计了很多种架构，在最新的版本中，内核架构变成三种款式：A，用于设计高性能系统；R，高端嵌入式系统；M，深度嵌入的单片机系统，认准实时性、低成本、低功耗、极速中断和高处理效率，CM3就是这个系列的典型代表。
在指令集方面，ARM处理器一直支持两种形式上的独立的指令集，分别是32位ARM指令集和16位Thumb指令集。在程序执行过程中，处理器可以在两个指令集间切换。CM3使用的是Thumb-2指令集，这是Thumb指令集的超集，16位和32位指令并存，处理器也就不必再两个指令集间切换了。
通过前述对CM3的了解，可以知道CM3适用于一些领域：
（1）低成本单片机
（2）汽车电子
（3）数据通信
（4）工业控制
1.2 CM3的结构
CM3结构如图所示，采用哈佛结构，即指令总线和数据总线分开，取指和数据访问不冲突，提升了性能。CM3提供一个可选的MPU，同时还提供丰富的调试组件。
CM3有R0-R15共16个寄存器组，都是32位的，R0-R12是通用寄存器，16位指令只能访问R0-R7，32位可以访问全部。R13是两个堆栈指针，包括MSP（主堆栈指针，用于操作系统内核和异常处理）和PSP（进程堆栈指针，用户程序代码使用），堆栈指针最低两位是0，堆栈总是4字节对齐的，CM3是向下堆栈，每次PUSH，堆栈指针SP自减4再存入数据。R14是连接寄存器，当呼叫一个子程序时，R14存储返回地址。R15为程序计数器，指向当前程序地址，改变它就可改变执行流。
CM3还有一些特殊功能寄存器，包括xPSR（状态字寄存器）、PRICMASK（除能除了NMI（不可屏蔽中断）外所有中断）、FAULTMASK（纯那个所有除NMI的fault）、BASEPRI（除能某个优先级以下的中断）、CONTROL（定义特权状态，决定使用哪个堆栈指针）。特殊功能寄存器组通过MSR/MRS指令操作：
（1）PSR又分为三个子状态寄存器，应用程序PSR、中断号PSR、执行PSR，可单独访问或组合访问，三合一访问时应使用名字“PSR”或者“xPSR”。
（2）CONTROL有两个用途，定义特权级别和选择哪个堆栈指针。CONTROL[1]，为0时选择MSP，为1时选择PSP，handler模式下总为0，线程模式中可以为0或者1，因此只有特权级线程模式下此位才可以写；CONTROL[0]，为0时选择特权级线程模式，为1时选择用户级线程模式，仅在特权级操作时才允许写此位。
1.3 操作模式和特权级别
CM3有两种操作模式和两级特权操作。两种模式分别是处理者模式和线程模式，两级特权分别为特权级和用户级。CM3运行主程序（线程模式）可以使用两种等级，处理者模式必须用特权级。特权级可以访问所有范围的寄存器（不包括MPU规定的禁地外）。特权程序一旦切换到用户级，想回到特权级就必须执行一条SVC（系统调用指令）触发SVC异常，然后由ISR接管，若批准则修改CONTROL寄存器，才能回到特权级。两级特权提高了可靠性。切换方式如图所示：
1.4 中断控制器NVIC
CM3在内核中集成了一个NVIC（嵌套向量中断控制器）提供以下功能：
（1）支持嵌套中断
（2）支持向量中断。响应一个中断后，自动定位一张向量表，根据中断号找出ISR入口地址去执行，大大减小中断延迟时间。
（3）支持动态优先级调整。可以在运行时改变中断优先级，若将运行中的中断实例提高优先级，又重新产生一个处于悬起中的中断，不会自己打断自己，没有重入（也即是一段代码在不同的内存区域重复执行，浪费内存）风险。
（4）中断延迟大大缩短。具体原因在后面简述。
（5）中断可屏蔽。可屏蔽优先级低于某个数值的中断也可以屏蔽所有中断。
1.5 存储器映射
CM3支持4G存储空间，区域划分如图所示：
CM3事先定义好了大致的存储器映射，通过外设寄存器映射到外设区，就可以通过访问内存的方式访问这些外设寄存器，提高了访问速度。处于最高地址是系统级存储区，把这些地址定死，为程序移植扫清了障碍。
1.6 总线接口
（1）两条指令存储区总线。负责对代码存储区的访问，I-code用于取指，D-code用于查表等操作，按最佳执行速度优化
（2）系统总线。负责访问内存和外设。
（3）私有外设总线。负责私有外设的访问，主要是调制组件。
1.7 存储器保护单元（MPU）
MPU可以提高系统可靠性，最常见的是使用MPU保护系统本身的数据。
1.8 中断和异常
CM3支持11种系统异常和240个外部中断输入。如图所示：
1.9 低功耗和高能效
提供睡眠模式和深度睡眠模式，门数量的降低工作状态下电路的活动更少，降低了功耗。程序代码密度高，程序容量也可以变少，强大的性能减小了执行时间。
1.10 调试支持
内核水平上提供了丰富的调试支持。
1.11复位序列
复位后，CM3分别从0x0000,0000和0x0000,0004处取出MSP和PC的初始值，PC初始值是复位向量，从这个向量相应的地址处取指。