STM32的这些经典功能，你知道吗？

Cortex-M3芯片简介

1 、关于ARMv7 的知识了解

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。

2 、Cortex-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

3 、Cortex-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。

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

b 、Cortex-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。 ---

c 、R14 ：连接寄存器 -- 当呼叫一个子程序时，由 R14 存储返回地址

d 、R15 ：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）

e 、Cortex-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。

在 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 ” 了 —— 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 InterruptController) 。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 ）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。

（6 ）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） 。

（7 ） Cortex-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 16 位 Thumb 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（现代半导体制造技术能保证 100MHz 以上的速度）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 和 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 ” 和 “ 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 （不可屏蔽中断）会在收到请求的第一时间予以响应。对很多安全 - 关键 (safety-critical) 的应用， NMI 都是必不可少的（如化学反应即将失控时的紧急停机）。

通过上面我们可以很容易理解STM32 的一些基本知识和结构，为学习 STM32 打好了基础。