【嵌入式八股17】Cortex

一、ARM 内核发展历史

ARM 内核随着技术发展不断演进，不同内核基于不同架构，在性能、功能等方面各有特点，以下是一些常见 ARM 内核及其对应的架构：

ARM 内核 架构

ARM7	ARMv6
Cortex-M0	ARMv6-M
Cortex-M0+	ARMv6-M
Cortex-M3	ARMv7-M
Cortex-M4	ARMv7-M
Cortex-M7	ARMv7-M
ARM9	ARMv6
ARM11	ARMv6
ARM12	ARMv6
Cortex-A7	ARMv7-A
Cortex-A8	ARMv7-A
Cortex-A9	ARMv7-A
Cortex-A15	ARMv7-A
Cortex-A17	ARMv7-A
Cortex-A53	ARMv8
Cortex-A57	ARMv8
Cortex-A72	ARMv8

二、Cortex-M0 系列芯片系统框图

Cortex-M0 系列芯片系统主要由多个关键部分组成，其系统框图展示了芯片内部的架构和各部分之间的关系，以下是系统的主要组成部分： 

1. 中断控制器：负责管理芯片的中断请求，协调中断的处理过程。
2. M0 内核：芯片的核心处理单元，执行指令和处理数据。
3. AHB 总线：用于连接系统中的高速设备，实现数据的高速传输。
4. 存储器和外设：包括芯片的内存以及各种外部设备，如传感器、通信接口等。
5. 电源管理：控制芯片的电源供应，实现节能和稳定供电。
6. 时钟树：为系统提供时钟信号，确保各部件的同步运行。
7. 调试系统：方便开发人员对芯片进行调试和测试，查找和解决问题。

三、Cortex-M 系列寄存器

（一）通用寄存器

Cortex-M 系列包含多个通用寄存器，用于数据的存储和处理，在程序执行过程中发挥着重要作用，以下是通用寄存器列表：

R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12

（二）M0 特殊寄存器

除通用寄存器外，Cortex-M0 还有一些特殊寄存器，用于特定的功能和系统控制，以下是 M0 的特殊寄存器：

SP(R13) LR(R14) PC(R15) CONTROL xPSR PRIMASK

（三）M3/M4/M7 特殊寄存器

Cortex-M3、M4、M7 在 M0 特殊寄存器的基础上，还增加了一些特殊寄存器，以满足更复杂的功能需求，以下是它们的特殊寄存器：

SP(R13) LR(R14) PC(R15) CONTROL xPSR PRIMASK FAULTMASK BASEPRI

1. MSP 和 PSP

• MSP（主堆栈指针）：在中断处理中使用，系统复位后默认使用 MSP，在中断处理过程中也使用 MSP。
• PSP（进程堆栈指针）：用于线程栈，通过配置 CONTROL 寄存器的相关位来切换使用 MSP 或 PSP。当 CONTROL 寄存器的第 1 位写 1 时，表示切换成 PSP。

2. xPSR

xPSR（程序状态寄存器）中的 IPSR（中断号寄存器）可以用来判断当前处于什么中断，帮助程序进行中断处理和状态判断。

3. PRIMASK

PRIMASK 是中断屏蔽寄存器，向其写 1 可以屏蔽所有中断（除了不可屏蔽中断和 hardfault 硬件错误中断），从而在需要时保护关键代码段不被中断干扰。

4. CONTROL

CONTROL 寄存器具有多种功能，其中第 1 位写 1 表示切换成 PSP；第 0 位用于控制线程模式的特权级别，0 表示特权级的线程模式，1 表示用户级的线程模式，而 Handler 模式永远都是特权级的。

5. FAULTMASK

FAULTMASK 寄存器用于屏蔽所有的 fault（NMI 不可屏蔽中断不受影响），当需要临时屏蔽错误异常时，可以使用该寄存器。

6. BASEPRI

BASEPRI 寄存器可以屏蔽所有优先级不高于某个具体数值的中断，通过设置该寄存器的值，可以灵活控制中断的响应。

四、栈空间操作

在 Cortex-M 系列中，栈的操作具有特定的规则：

1. 栈的增长方向：栈向下递减，即栈顶地址随着数据的入栈而减小。
2. 栈指针的指向：栈指针（SP）始终指向栈的最后一个数据，每次执行数据存储操作（push）前，SP 会首先减小，为新数据腾出空间。

五、异常和中断

（一）Cortex-M0 的异常和中断

Cortex-M0 最多支持 32 个外部中断，同时还包括一些系统异常，主要用于操作系统和错误处理，以下是一些主要的系统异常：

异常类型 异常编号 说明

reset	1	上电复位、系统复位，是系统启动时的初始状态。
NMI（不可屏蔽中断）	2	由外部 NMI 输入脚触发，不可被屏蔽，用于处理关键的紧急事件。
hardfault（硬件错误）	3	当系统出现硬件故障时触发，如存储器访问错误等。
SVCall（系统调用）	11	用于执行系统服务调用指令，实现用户程序与操作系统之间的交互。
PendSV（挂起系统调用）	13	为系统设备而设的“可悬挂请求”，常用于任务切换等场景。
systick（系统滴答）	15	系统滴答定时器，提供周期性的时钟信号，用于系统的定时操作。

（二）NVIC（可嵌套向量中断控制器）

NVIC 是 Cortex-M 系列芯片中用于管理中断的重要部件，具有以下特点：

1. 中断可嵌套：当一个中断正在处理时，如果有更高优先级的中断到来，可以中断当前的中断处理，先处理更高优先级的中断。
2. 相同优先级的中断不可嵌套：对于相同优先级的中断，不会相互嵌套，必须等待当前中断处理完毕后，才能处理相同优先级的其他中断。
3. 相同中断不可嵌套：同一个中断在处理过程中不会再次被嵌套处理，避免了递归调用的问题。

六、系统操作寄存器

Cortex-M 系列芯片包含许多系统管理的寄存器，它们分布在不同的地址范围，用于实现各种系统功能，以下是主要的系统操作寄存器及其地址范围和说明：

地址范围 寄存器说明

0xE000E008 - 0xE000E00F	System Control Block Table（系统控制块表）
0xE000E010 - 0xE000E01F	预留
0xE000E010 - 0xE000E01F	SysTick 操作寄存器（SysTick 定时器的控制和配置）
0xE000E100 - 0xE000E4EF	NVIC 操作寄存器（中断控制器的相关配置和操作）
0xE000ED00 - 0xE000ED3F	系统控制块（包含一些系统控制和状态信息）
0xE000EF00 - 0xE000EF03	NVIC（中断控制器的部分寄存器）

（一）NVIC 寄存器

NVIC 包含多个寄存器，用于控制中断的使能、失能、挂起等操作，以下是主要的 NVIC 寄存器及其地址和说明：

地址 寄存器名称 说明

0xE000E100	ISER（中断使能寄存器）	用于使能相应的中断。
0xE000E180	ICER（中断失能寄存器）	用于失能相应的中断。
0xE000E200	ISPR（中断挂起寄存器）	用于设置相应中断的挂起状态。
0xE000E280	ICPR（清除挂起中断的寄存器）	用于清除相应中断的挂起状态。
0xE000E400 - 0xE000E41C	IPR0-7（中断优先级配置寄存器）	用于配置中断的优先级。

（二）系统控制块 SCB 寄存器

系统控制块 SCB 包含多个寄存器，用于系统的控制和状态管理，以下是主要的 SCB 寄存器及其地址和说明：

地址 寄存器名称 说明

0xE000ED00	CPUID（CPU 标识寄存器）	包含 CPU 的标识信息。
0xE000ED04	ICSR（中断控制和状态寄存器）	用于中断的控制和状态查询。
0xE000ED0C	AIRCR（应用中断和复位的寄存器）	用于处理应用中断和复位操作。
0xE000ED10	SCR（系统控制寄存器）	用于系统的控制和配置。
0xE000ED14	CCR（配置控制寄存器）	用于配置系统的一些特性。
0xE000ED1C	SHPR2（System Handler Priority Register 2，系统处理优先级寄存器 2）	用于设置系统处理的优先级。
0xE000ED20	SHPR3（System Handler Priority Register 3，系统处理优先级寄存器 3）	用于设置系统处理的优先级。

（三）SysTick 寄存器

SysTick 是系统滴答定时器，其相关寄存器用于控制和读取定时器的状态，以下是 SysTick 寄存器及其地址和说明：

地址 寄存器名称 说明

0xE000E010	SYST_CSR（SysTick 控制和状态寄存器）	用于控制 SysTick 定时器的启动、停止、中断等功能，并查询其状态。
0xE000E014	SYST_RVR（SysTick 重载寄存器）	设置 SysTick 定时器的重载值，即定时周期。
0xE000E018	SYST_CVR（SysTick 当前值寄存器）	用于读取 SysTick 定时器的当前计数值。
0xE000E01C	SYST_CALIB（SysTick 校准寄存器）	用于校准 SysTick 定时器。

七、Cortex-M0 启动流程

Cortex-M0 芯片的启动过程遵循特定的顺序，以下是其启动流程：

1. 程序从 0x00000000 地址开始执行，这是系统启动的初始位置。
2. M0 从程序 bin 文件的开始处第 2 个 word 运行 reset_handler 函数，该函数是启动过程中的关键函数。
3. reset_handler 函数开始执行一些必要的初始化操作，包括 ramfunc 函数复制（将某些函数复制到 RAM 中以提高执行速度）、堆初始化（为动态内存分配做准备）、全局和静态变量初始化等，确保系统的基本运行环境准备就绪。
4. 完成初始化后，跳转到 main 函数中，开始执行用户程序的主要逻辑。

八、中断向量表

中断向量表是存储中断服务程序地址的表格，在 Cortex-M0 中，中断向量表包含以下主要内容：

内容

sp 指针（堆栈指针的初始值）
resetHandler 地址（复位中断服务程序的地址）
NMIHandler 地址（不可屏蔽中断服务程序的地址）
hardfault 地址（硬件错误中断服务程序的地址）
reserved（预留位置）
systickHandler 地址（系统滴答中断服务程序的地址）
......（其他中断服务程序的地址）

九、大小端模式

Cortex-M0 支持大端模式和小端模式，大端模式是指数据的高位字节存储在低地址，小端模式则是数据的高位字节存储在高地址。不过一般芯片公司在设计时会选择小端模式，因为小端模式在一些情况下更符合程序的执行习惯和数据处理方式。

十、堆栈

在 Cortex-M 系列中，堆栈的增长方向具有特定的规律：

1. 堆的增长方向：堆向上增长，即随着动态内存分配，堆的地址逐渐增大。
2. 栈的增长方向：栈向下增长，如前面所述，栈顶地址随着数据的入栈而减小。

（一）压栈的寄存器

当发生中断或函数调用等情况时，需要将一些寄存器的值压入栈中保存，以便在恢复时能够还原现场，以下是常见的压栈寄存器：

寄存器

xPSR（程序状态寄存器）
PC（程序计数器）
LR（链接寄存器）
R12
R3
R2
R1
R0

十一、杂项指令集

Cortex-M 系列包含一些特殊的指令，用于实现特定的