Cortex-M3体系结构概述

Cortex-M3内核

Cortex-M3内核是ARM公司开发的CPU内核，完整的MCU芯片集成了Cortex-M3内核以及其他组件。

• 32位RISC处理器
• 哈弗架构
• 3级流水线
• 内嵌中断向量控制器和SysTick定时器

  主要特性

  1. 工作模式及权限级别

  工作模式分为 非异常状态（后台） 和 异常状态（前台），非异常状态即 线程模式 Thread mode， 异常状态即 处理者模式 Handler mode。
  特权级别分为 用户级 和 特权级，Thread mode可以运行在用户级和特权级， 而Handler mode只能运行在特权级。
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  2. 寄存器组

• 低组寄存器：R0~R7，通用寄存器
• 高组寄存器：R8~R12，通用寄存器
• 链接寄存器：LR（R14）， 用于存储子程序调用的返回地址
• 程序计数器：PC（R15）
• 堆栈指针寄存器（R13）：分为MSP和PSP，MSP为主堆栈指针（特权级），PSP为进程堆栈指针（用户级）。硬件会根据当前所处的特权级别自动切换MSP和PSP。
• 程序状态寄存器

	31	30	29	28	27	26：25	24	23:20	19:16	15:10	9	8	7	6	5	4:0
xPSR	N	Z	C	V	Q	ICI/IT	T			ICI/IT		Exception Number	同左	同左	同左	同左

• 异常屏蔽寄存器
  1. PRIMASK：只有一位，置1时会关闭所有可屏蔽的异常，只剩下NMI和硬fault可以响应。缺省值为0，表示没有关终端
  2. FAULTMASK：只有一位，置1时只有NMI才能响应，所有其它的异常，包括中断和fault都关闭。缺省值为0，表示没有关异常。
  3. BASEPRI：最多有9位，定义了被屏蔽优先级的阈值。当它被设为某个值后，所有优先级号大于等于此值的中断都将被关闭（优先级号越大，优先级越低）。若被设置为0，表示不关闭任何中断，缺省值为0。
• 控制寄存器（CONTROL）：定义特权状态，并决定使用哪个堆栈指针。

  3. 存储映射

• SRAM：片内RAM，用于存放堆栈、变量等数据
• Code：用于存放可执行代码及常量

  4. 堆栈

  Cortex-M3使用的是“向下生长的满栈”模型，采用双堆栈机制。
  SP从高地址往低地址生长，SP指向最后一个被压栈的数据，当进行压栈操作时，SP先向下4字节，然后将数据压栈，出栈与之相反。

  5. 异常/中断处理

• 异常
  编号0~15对应位系统异常，其中0号异常表示没有异常，优先级最高（-3），大于等于16的是外部中断，除了个别异常的优先级被定死外，其它异常的优先级都是可编程的。
• 进入异常
  1. 硬件将xPSR，PC，LR，R12和R0~R3自动压入当前堆栈，其它寄存器根据需要由ISR自行保存
  2. 从中断向量表取出中断程序的入口地址
     • SP：入栈后保存最后的堆栈地址
     • PC：更新为中断服务入口地址
     • LR：更新为特殊的EXC_RETURN值
  3. 执行异常/中断处理程序
• 退出异常
  1. 执行返回指令，如BX LR
  2. 恢复之前入栈的寄存器。出栈顺序与入栈时相对应， 栈指针的值也改回去。
  3. 从原中断发生的位置继续执行 在返回时，会根据EXC_RETURN值来决定返回动作

位段	含义
[31:4]	EXC_RETURN的标识，必须全为1
3	0=返回后进入Handler模式；1=返回后进入线程模式
2	0=从主堆栈做出栈操作，返回后使用MSP；1=从进程堆栈做出栈操作，返回后使用PSP
1	必须为0
0	0=返回ARM状态；1=返回Thumb状态；在CM3中必须为1

合法的EXC_RETURN值为0xFFFFFFF1：返回handler模式；0xFFFFFFF9：返回线程模式并使用主堆栈；0xFFFFFFFD：返回线程模式，并使用线程堆栈。

• PendSV异常 在此异常处理程序中进行RTOS的任务切换。 工作原理：将PendSV配置为最低优先级，上下文切换的请求将自动延迟到其它的ISR都完成后才处理，并且可被其它异常/中断抢占。这是因为任务切换的重要性要低于其它的异常或者中断，在RTOS中，要优先保证其它异常/中断的实时性。

  6. 指令系统

  Cortex-M3使用的是 Thumb-2 指令集。长度为16位或者32位。