Cortex-M系列处理器介绍及其特性参数.docx

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1、Cortex-M系列处理器介绍及其特性参数Cortex-M处理器COrteX-M是爱特梅尔公司发布的全新酗SMD20微控制器,采用的是是全球微控制器标准。Cortex-M处理器家族Cortex-M处理器家族更多的集中在低性能端，但是这些处理器相比于许多微控制器使用的传统处理器性能仍然很强大。例如，CorteX-M4和CorteX-M7处理器应用在许多高性能的微控制器芒晶中，最大的晅圆频率可以达到400Mhzo当然，性能不是选择处理器的唯一指标。在许多应用中，低功耗和成本是关键的选择指标。因此，COrteX-M处理器家族包含各种产品来满足不同的需求：处理118述Cortex-MOIB向,amtt

2、WJEe非*hm(JM2K)CorteX-Mo针对小5入式系统的离0处理器,与CorteX-MOfiHW近的尺寸大小和州S模式,但是具有犷展功他,如单周期I/O建口和向袤定位功能Coctex-M1讦对FpGA设计优化的小处理器，利用FPGA上的存储器块实现了紧Ie合内存(TCM).IoCOneXMOW相同的指令集Cortex-MT针对血耗如空硼BHS计的处理霸.面枳但是性晚强劲，支持可以处理器快速处理复杂任势的丰富指令集.具有硬件除法秉加的令(MAC).并且，M3支持全面的四试IO跟踪璇,使软件开发者可以快速的开发他4用应用Coctec-W不但具4KortexM3的所说OK万恒Ir限了而由而享

3、宿号处理(DSP丽玲一比如单指令多数场B令(SMID)和更快的单周期MAC操作.此外，它还有一个可选的支持IEEE7S4A点标港的单篇度浮点运算单元CortexM7R大高读完控粗器*二数有T理生性的应用开发的高色曲牝嘴器.目备CQrtOXM，1支持的所有指令功能,犷震支持双稳3点运U,并且具备Ir展的存偌器功能,例如CdChe和IM合存储11(TCM)C(MteXM23面向超低功耗,低跖丽丽的小尺寸处理I1,和COrteX-M相似,但Jg丽香例8强的指令集和系统层面的功能特性.M23还支持TrUStZOne安全犷展COrtC)(M33主流的处理BHS计二与之前的CorteX-M3和CorteX

4、M4处理器类似,但系绷&计更旻活，能耗比更高迎,住奘更高.M33还支持TrUStZon。安全汇展表2:Cortex-M处理器家族Cortex-M系列处理器的共同特性Cortex-MO,MO+,M3,M4andM7之间有很多的相似之处，例如:-基本编程模型-嵌套向量中断控制器(NVIC)的中断响应管理- 架构设计的休眠模式：唾眠模式和深度睡眠模式- 操作系统支持特性- 调试功能- 易用性例如，嵌套向量中断控制器是内置的中断控制器例如，嵌套向量中断控制器是内置的中断控制器+图2:Cortex-M处理器的嵌套向量中断控制会支持许多外围设备的中断输入，一个不可屏蔽的中断请求，一个来自内置时钟(SyST

5、立k)的中断请求和一定数量的系统异常请求。NV1C处理这些中断和异常的优先级和屏蔽管理。NVIC以及异常处理模型的更多的内容在章节3.2描述。其他Cortex-M处理器间的异同点会在本文的其余部分讲解。Cortex-M系列处理器架构特性1、编程模型Cortex-M处理器家族的编程模型是高度一致的。例如所有的Crotex-M处理器都支持Ro到R15,PSR,CONTRO1和PRIMASKo两个特殊的寄存器一FAU1TMASK和BASEPR1一只有CorteX-M3,Corte-M4,Corte-M7和COrteX-M33支持；浮点寄存器组和FPSCR（浮点状态和控制寄存器）寄存器，是Corte-

6、M4M7M33可选的浮点运算单元使用的。图5：编程模型BSEPRI寄存器允许程序阻止指定优先级或者低的优先级中断和异常。对RMv7-M来说这是很重要的，因为CorteX-M3,Corte-M4,Corte-M7和COrteX-M33有大量的优先级等级，而ARMv671和RMv8-MBaSeIine只有有限的4个优先等级。FAU1TMASK通常用在复杂的错误处理上（查看章节3.4）非特权级别的实现对ARMv6-M处理器是可选的，对ARMv7-M和ARMv871处理器一直支持的。对CorteX-MO+处理器，它是可选的，Cortex-MOandCorteX-M1不支持这个功能。这意味着在各种Cor

7、teX-M处理器的CONTRO1寄存器是稍微不同的。FPU的配置也会影响到CONTRO1寄存器，如图6所示。31:43210ARMve-MCONTRO1SPSE1PRIVC1e-M3CONTRO1SPSE1PRIVCortex-MWZCONTRO1FPCASPSE1nPRIVCo1ex-K123CONTRO1SPSE1PRIVCor1exM33CONTRO1SFPAFPCASPSE1nPRIVIndica1eboa1iPUintCin1ex1isSecure(forTrustZonesecurityextension)IrdicRtesf1oatingpointcontextisactvpSt

8、ackpointerse1ectionforThreadrnodeThreadmodeunprivi1eged图6：CONTRO1寄存器另外一个编程模型之间的不同是PSR寄存器(程序状态寄存器)的细节。所有的Cortex-M处理器，PSR寄存器都被再分成应用程序状态寄存器(APSR),执行程序状态寄存器(EPSR)和中断程序状态寄存器(IPSR)oARMv6-M和ARMv8-MBase1ine系列的处理器不支持APSR的Q位和EPSR的ICI/IT位。ARMv7E-M系列(Corte-M4,Corte-M7)和ARMV8-MMain1ine(配置了DSP扩展的COrteX-M33)支持GE位。

9、另外，ARMV671系列处理器IPSR的中断号数字范围很小，如图7所示。ExcepbonNumber313029282726:25242320191615:1098765ARMv6M(COrteX-MoM0*)NZCVTARMv7-M(Codex-M3)NZCVQICVrrTCITExceptionNumfeefARMv7EM(CX1ex-M447)NZCVQcvrrTGEPOJICITExceptionNumberARMv8-MBase1ine(CorteXZ23)NZCVTExceptionNumberARMv8-MMain1ine(CortexM33)NZCVQICVITTGE30)IC

10、ITExceptionNumber图7：PSR差异请注意Cortex-M的编程模型和ARM7TDMI等这些经典的ARM处理器是不一样的。除了寄存器组不同外，经典ARM处理器中“模式”和“状态”的定义与Cortex-M中的也是不同的。Cortex-M只有两个模式：线程模式（Thread）和管理者模式（Hand1er）,并且COrteX-M处理器一直运行在ThUmb状态（不支持ARM指令）o2、异常处理模型和嵌套向量中断控制器NVIC所有的COrteX-M处理器都包含了NVIC模块，采用同样的异常处理模型。如果一个异常中断发生，它的优先等级高于当前运行等级，并且没有被任何的中断屏蔽寄存器屏蔽，处理

11、器会响应这个中断/异常，把某些寄存器入栈到当前的堆栈上。这种堆栈机制下，中断处理程序可以编写为一个普通的C函数，许多小的中断处理函数可以立即直接响应工作而不需要额外的堆栈处理花销。一些ARMv7-MARMv8-MMain1ine系列的处理器使用的中断和系统异常并不被ARMv6-MARMv8-MBase1ine的产品支持，如图&例如，Cortex-MO,MO+和M1的中断数被限制在32个以下，没有调试监测异常，错误异常也只限于HardFau1t（错误处理细节请参看章节3.4）。相比之下，Corte-M23,Corte-M3,Corte-M4和Corte-M7处理器可以支持到多达240个外围设备中

12、断。CorteX-M33支持最多480个中断。另外一个区别是可以使用的优先等级数量：ARMv6-M架构-ARMV6-M支持2级固定的（NMI和HardFau1t）和4级可编程的（由每个优先等级寄存器的两个位表示）中断/异常优先级。这对大多数的微控制器应用来说足够了。ARMV7-M架构-ARMV7-M系列处理器的可编程优先级等级数范围，根据面积的限制，可以配置成8级（3位）到256级（8位）。ARMV7-M处理器还有一个叫做中断优先级分组的功能，可以把中断优先级寄存器再进一步分为组优先级和子优先级，这样可以详细地制定抢占式优先级的行为。ARMv8-MBase1ine-类似ARMV6f,M23也有

13、2位的优先级等级寄存器。借助可选的TrUStZor1e安全扩展组件，安全软件可以把非安全环境中的中断的优先等级转换到优先等级区间的下半区，这就保证了安全环境中的某些中断/异常总是比非安全环境中的优先级要高。ARMv8-MMain1ine-类似于ARMv7-M。可以支持8到256个中断优先等级和中断优先级分组。还支持ARMv8-MBaSe1ine具有的优先等级调整功能。图8：Cortex-M处理器异常中断类型所有的Cortex-M处理器在异常处理是都要依靠向量表。向量表保存着异常处理函数的起始地址(如图8所示)。向量表的起始地址由名为向量表偏移寄存器(VTOR)决定。 Cortex-MO+,Co

14、rte-M3andCorte-M4processors：bydefau1tthevectortab1eis1ocatedinthestartingofthememorymap(address0x0)0Cortex-MO+,Corte-M3andCorte-M4:向量表默认放在存储空间的起始地址(地址0x0)O InCorte-M7,Corte-M23andCorte-M33processors：thedefau1tva1ueforVTORisdefinedbychipdesigners.Corte-M23andCorte-M33processorsCanhavetwoseparatedvect

15、ortab1esforSecureandNon-secureexceptions/interrupts.Corte-M7,Corte-M23andCorte-M33:VToR的初始值由芯片；设计者定义。Corte-M23andCorte-M33处理器面向安全和非安全的异常/中断有两个独立的向量表。 Cortex-MOandCortex-M1doesnotimp1ementprogrammab1eVTORandvectortab1estartingaddressisa1ways0x00000000.Cortex-MOandCortex-M1没有实现可编程的VTOR,向量表起始地址一直为0x00000000oCortex-MO+和COrteX-M23处理器的VToR是可选项。如果VT