STM32內(nèi)部架構(gòu)及一些經(jīng)典設(shè)計(jì)分享

一. 縮略語(yǔ)：

• AMBA：先進(jìn)單片機(jī)總線(xiàn)架構(gòu)

• ADK：AMBA設(shè)計(jì)套件

• AHB：先進(jìn)高性能總線(xiàn)

• AHB-AP：AHB訪(fǎng)問(wèn)端口

• APB：先進(jìn)外設(shè)總線(xiàn)

• ARM ARM：ARM架構(gòu)參考手冊(cè)

• ASIC：行業(yè)領(lǐng)域?qū)Ｓ?a target="_blank">集成電路

• ATB ：先進(jìn)跟蹤總線(xiàn)

• BE8：字節(jié)不變式大端模式

• CPI：每條指令的周期數(shù)

• DAP：調(diào)試訪(fǎng)問(wèn)端口

• DSP：數(shù)字信號(hào)處理（器）

• DWT：數(shù)據(jù)觀(guān)察點(diǎn)及跟蹤

• ETM：嵌入式跟蹤宏單元

• FPB：閃存地址重載及斷點(diǎn)

• FSR：fault狀態(tài)寄存器

• HTM：Core Sight AHB跟蹤宏單元

• ICE：在線(xiàn)仿真器

• IDE：集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

• IRQ：中斷請(qǐng)求（通常是外中斷請(qǐng)求）

• ISA：指令系統(tǒng)架構(gòu)

• ISR：中斷服務(wù)例程

• ITM：儀器化跟蹤宏單元

• JTAG：連接點(diǎn)測(cè)試行動(dòng)組（一個(gè)關(guān)于測(cè)試和調(diào)試接口的標(biāo)準(zhǔn)）

• LR：連接寄存器

• LSB：最低有效位

• MSB：最高有效位

• LSU：加載存儲(chǔ)單元

• MCU：微控制器單元

• MPU：存儲(chǔ)器保護(hù)單元

• MMU：存儲(chǔ)器管理單元

• MSP：主堆棧指針

• NMI：不可屏蔽中斷

• NVIC：嵌套向量中斷控制器

• PC：程序計(jì)數(shù)器

• PPB：私有外設(shè)總線(xiàn)

同時(shí)，還要如下規(guī)定：

二. 數(shù)值：

1. 4''hC , 0x123 都表示16進(jìn)制數(shù)

2. #3表示數(shù)字3 (e.g., IRQ #3 就是指3號(hào)中斷)

3. #immed_12表示一個(gè)12位的立即數(shù)

4. 寄存器位。通常是表示一個(gè)位段的數(shù)值，例如

bit[15:12] 表示位序號(hào)從15往下數(shù)到12，這一段的數(shù)值。

三. 寄存器訪(fǎng)問(wèn)類(lèi)型

1. R 表示只讀

2. W表示只寫(xiě)

3. RW 表示可讀可寫(xiě)（前3條好像地球人都知道）

4. R/Wc 表示可讀，但是寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)將使之清 0

四. Cortex-M3芯片簡(jiǎn)介

1、芯片的基本結(jié)構(gòu)如下圖：

2、ARMv7知識(shí)

在這個(gè)版本中，內(nèi)核架構(gòu)首次從單一款式變成3種款式：

• 款式A：設(shè)計(jì)用于高性能的“開(kāi)放應(yīng)用平臺(tái)”——越來(lái)越接近電腦了。

• 款式R：用于高端的嵌入式系統(tǒng)，尤其是那些帶有實(shí)時(shí)要求的——又要快又要實(shí)時(shí)。

• 款式M：用于深度嵌入的，單片機(jī)風(fēng)格的系統(tǒng)中。

介紹：

• A：用于高性能的“開(kāi)放應(yīng)用平臺(tái)”，應(yīng)用在那些需要運(yùn)行復(fù)雜應(yīng)用程序的處理器。支持大型嵌入式操作系統(tǒng)。

• R：用于高端的嵌入式系統(tǒng)，要求實(shí)時(shí)性的。

• M：用于深度嵌入的、單片機(jī)風(fēng)格的系統(tǒng)中。

3、Cortex-M3處理器的舞臺(tái)

高性能+高代碼密度+小硅片面積，使得CM3大面積地成為理想的處理平臺(tái)，主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：

（1）低成本單片機(jī)

（2）汽車(chē)電子

（3）數(shù)據(jù)通信

（4）工業(yè)控制

（5）消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品

4、Cortex-M3概覽

（1）簡(jiǎn)介

Cortex-M3是一個(gè) 32位處理器內(nèi)核。內(nèi)部的數(shù)據(jù)路徑是 32位的，寄存器是 32位的，存儲(chǔ)器接口也是 32 位的。CM3 采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)并行不悖。這樣一來(lái)數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)不再占用指令總線(xiàn)，從而提升了性能。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)特性， CM3內(nèi)部含有好幾條總線(xiàn)接口，每條都為自己的應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)化過(guò)，并且它們可以并行工作。但是另一方面，指令總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)共享同一個(gè)存儲(chǔ)器空間（一個(gè)統(tǒng)一的存儲(chǔ)器系統(tǒng)）。

比較復(fù)雜的應(yīng)用可能需要更多的存儲(chǔ)系統(tǒng)功能，為此CM3提供一個(gè)可選的MPU，而且在需要的情況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）Cortex-M3的簡(jiǎn)化圖

（3）寄存器組

處理器擁有R0-R15的寄存器組，其中R13最為堆棧指針SP,SP有兩個(gè)，但是同一時(shí)刻只能有一個(gè)可以看到，這就是所謂的“banked”寄存器。

a、R0-R12都是 32位通用寄存器，用于數(shù)據(jù)操作。但是注意：絕大多數(shù) 16位Thumb指令只能訪(fǎng)問(wèn)R0-R7，而 32位 Thumb-2指令可以訪(fǎng)問(wèn)所有寄存器。

b、Cortex-M3擁有兩個(gè)堆棧指針，然而它們是 banked，因此任一時(shí)刻只能使用其中的一個(gè)。

• 主堆棧指針（MSP）：復(fù)位后缺省使用的堆棧指針，用于操作系統(tǒng)內(nèi)核以及異常處理例程（包括中斷服務(wù)例程）

• 進(jìn)程堆棧指針（PSP）：由用戶(hù)的應(yīng)用程序代碼使用。

• 堆棧指針的最低兩位永遠(yuǎn)是0，這意味著堆棧總是4字節(jié)對(duì)齊的。

c、R14：連接寄存器--當(dāng)呼叫一個(gè)子程序時(shí)，由R14存儲(chǔ)返回地址

d、R15：程序計(jì)數(shù)寄存器--指向當(dāng)前的程序地址，如果修改它的值，就能改變程序的執(zhí)行流（這里有很多高級(jí)技巧）

e、Cortex-M3還在內(nèi)核水平上搭載了若干特殊功能寄存器，包括：

• 程序狀態(tài)字寄存器組（PSRs）

• 中斷屏蔽寄存器組（PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI）

• 控制寄存器（CONTROL）

Cortex-M3處理器支持兩種處理器的操作模式，還支持兩級(jí)特權(quán)操作。

兩種操作模式分別為：處理者模式和線(xiàn)程模式（thread mode）。引入兩個(gè)模式的本意，是用于區(qū)別普通應(yīng)用程序的代碼和異常服務(wù)例程的代碼——包括中斷服務(wù)例程的代碼。

Cortex-M3 的另一個(gè)側(cè)面則是特權(quán)的分級(jí)——特權(quán)級(jí)和用戶(hù)級(jí)。這可以提供一種存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)的保護(hù)機(jī)制，使得普通的用戶(hù)程序代碼不能意外地，甚至是惡意地執(zhí)行涉及到要害的操作。處理器支持兩種特權(quán)級(jí)，這也是一個(gè)基本的安全模型。

在 CM3 運(yùn)行主應(yīng)用程序時(shí)（線(xiàn)程模式），既可以使用特權(quán)級(jí)，也可以使用用戶(hù)級(jí)；但是異常服務(wù)例程必須在特權(quán)級(jí)下執(zhí)行。復(fù)位后，處理器默認(rèn)進(jìn)入線(xiàn)程模式，特權(quán)極訪(fǎng)問(wèn)。在特權(quán)級(jí)下，程序可以訪(fǎng)問(wèn)所有范圍的存儲(chǔ)器（如果有 MPU，還要 在MPU規(guī)定的禁地之外），并且可以執(zhí)行所有指令。

在特權(quán)級(jí)下的程序可以為所欲為，但也可能會(huì)把自己給玩進(jìn)去——切換到用戶(hù)級(jí)。一旦進(jìn)入用戶(hù)級(jí)，再想回來(lái)就得走“法律程序”了——用戶(hù)級(jí)的程序不能簡(jiǎn)簡(jiǎn)單單地試圖改寫(xiě) CONTROL寄存器就回到特權(quán)級(jí)，它必須先“申訴”：執(zhí)行一條系統(tǒng)調(diào)用指令(SVC)。這會(huì)觸發(fā)SVC異常，然后由異常服務(wù)例程（通常是操作系統(tǒng)的一部分）接管，如果批準(zhǔn)了進(jìn)入，則異常服務(wù)例程修改 CONTROL寄存器，才能在用戶(hù)級(jí)的線(xiàn)程模式下重新進(jìn)入特權(quán)級(jí)。

事實(shí)上，從用戶(hù)級(jí)到特權(quán)級(jí)的唯一途徑就是異常：如果在程序執(zhí)行過(guò)程中觸發(fā)了一個(gè)異常，處理器總是先切換入特權(quán)級(jí)，并且在異常服務(wù)例程執(zhí)行完畢退出時(shí)，返回先前的狀態(tài)

通過(guò)引入特權(quán)級(jí)和用戶(hù)級(jí)，就能夠在硬件水平上限制某些不受信任的或者還沒(méi)有調(diào)試好的程序，不讓它們隨便地配置涉及要害的寄存器，因而系統(tǒng)的可靠性得到了提高。進(jìn)一步地，如果配了 MPU，它還可以作為特權(quán)機(jī)制的補(bǔ)充——保護(hù)關(guān)鍵的存儲(chǔ)區(qū)域不被破壞，這些區(qū)域通常是操作系統(tǒng)的區(qū)域。

（4）內(nèi)建的嵌套向量中斷控制器

Cortex-M3 在內(nèi)核水平上搭載了一顆中斷控制器——嵌套向量中斷控制器 NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。它與內(nèi)核有很深的“親密接觸”——與內(nèi)核是緊耦合的。

NVIC提供如下的功能：

• 可嵌套中斷支持

• 向量中斷支持

• 動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)調(diào)整支持

• 中斷延遲大大縮短

• 中斷可屏蔽

可嵌套中斷支持：可嵌套中斷支持的作用范圍很廣，覆蓋了所有的外部中斷和絕大多數(shù)系統(tǒng)異常。外在表現(xiàn)是，這些異常都可以被賦予不同的優(yōu)先級(jí)。當(dāng)前優(yōu)先級(jí)被存儲(chǔ)在 xPSR 的專(zhuān)用字段中。當(dāng)一個(gè)異常發(fā)生時(shí)，硬件會(huì)自動(dòng)比較該異常的優(yōu)先級(jí)是否比當(dāng)前的異常優(yōu)先級(jí)更高。如果發(fā)現(xiàn)來(lái)了更高優(yōu)先級(jí)的異常，處理器就會(huì)中斷當(dāng)前的中斷服務(wù)例程（或者是普通程序），而服務(wù)新來(lái)的異?！戳⒓磽屨?。

向量中斷支持：當(dāng)開(kāi)始響應(yīng)一個(gè)中斷后，CM3會(huì)自動(dòng)定位一張向量表，并且根據(jù)中斷號(hào)從表中找出 ISR的入口地址，然后跳轉(zhuǎn)過(guò)去執(zhí)行。不需要像以前的 ARM那樣，由軟件來(lái)分辨到底是哪個(gè)中斷發(fā)生了，也無(wú)需半導(dǎo)體廠(chǎng)商提供私有的中斷控制器來(lái)完成這種工作。這么一來(lái)，中斷延遲時(shí)間大為縮短。

（5）存儲(chǔ)器映射

Cortex-M3支持4G存儲(chǔ)空間，具體分配如下圖：

（6）總線(xiàn)接口

Cortex-M3內(nèi)部有若干個(gè)總線(xiàn)接口，以使 CM3能同時(shí)取址和訪(fǎng)內(nèi)（訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存），它們是：

• 指令存儲(chǔ)區(qū)總線(xiàn)（兩條）

• 系統(tǒng)總線(xiàn)

• 私有外設(shè)總線(xiàn)

有兩條代碼存儲(chǔ)區(qū)總線(xiàn)負(fù)責(zé)對(duì)代碼存儲(chǔ)區(qū)的訪(fǎng)問(wèn)，分別是 I-Code 總線(xiàn)和 D-Code 總線(xiàn)。前者用于取指，后者用于查表等操作，它們按最佳執(zhí)行速度進(jìn)行優(yōu)化。

系統(tǒng)總線(xiàn)用于訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存和外設(shè)，覆蓋的區(qū)域包括 SRAM，片上外設(shè)，片外 RAM，片外擴(kuò)展設(shè)備，以及系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)區(qū)的部分空間。

私有外設(shè)總線(xiàn)負(fù)責(zé)一部分私有外設(shè)的訪(fǎng)問(wèn)，主要就是訪(fǎng)問(wèn)調(diào)試組件。它們也在系統(tǒng)級(jí)存儲(chǔ)區(qū)。

（7）存儲(chǔ)器保護(hù)單元（MPU）

Cortex-M3有一個(gè)可選的存儲(chǔ)器保護(hù)單元。配上它之后，就可以對(duì)特權(quán)級(jí)訪(fǎng)問(wèn)和用戶(hù)級(jí)訪(fǎng)問(wèn)分別施加不同的訪(fǎng)問(wèn)限制。當(dāng)檢測(cè)到犯規(guī)（violated）時(shí)，MPU 就會(huì)產(chǎn)生一個(gè) fault 異常，可以由fault異常的服務(wù)例程來(lái)分析該錯(cuò)誤，并且在可能時(shí)改正它。

MPU 有很多玩法。最常見(jiàn)的就是由操作系統(tǒng)使用 MPU，以使特權(quán)級(jí)代碼的數(shù)據(jù)，包括操作系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)不被其它用戶(hù)程序弄壞。MPU在保護(hù)內(nèi)存時(shí)是按區(qū)管理的。它可以把某些內(nèi)存 region設(shè)置成只讀，從而避免了那里的內(nèi)容意外被更改；還可以在多任務(wù)系統(tǒng)中把不同任務(wù)之間的數(shù)據(jù)區(qū)隔離。一句話(huà)，它會(huì)使嵌入式系統(tǒng)變得更加健壯，更加可靠（很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是航空的，就規(guī)定了必須使用 MPU來(lái)行使保護(hù)職能——譯注） 。

（8）Cortex-M3的簡(jiǎn)評(píng)

1、高性能

許多指令都是單周期的——包括乘法相關(guān)指令。并且從整體性能上，Cortex-M3比得過(guò)絕大多數(shù)其它的架構(gòu)。

指令總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)被分開(kāi)，取值和訪(fǎng)內(nèi)可并行不悖。

Thumb-2的到來(lái)告別了狀態(tài)切換的舊世代，再也不需要花時(shí)間來(lái)切換于 32位 ARM狀態(tài)和16位Thumb狀態(tài)之間了。這簡(jiǎn)化了軟件開(kāi)發(fā)和代碼維護(hù)，使產(chǎn)品面市更快。

Thumb-2指令集為編程帶來(lái)了更多的靈活性。許多數(shù)據(jù)操作現(xiàn)在能用更短的代碼搞定，這意味著 Cortex-M3的代碼密度更高，也就對(duì)存儲(chǔ)器的需求更少。

取指都按 32位處理。同一周期最多可以取出兩條指令，留下了更多的帶寬給數(shù)據(jù)傳輸。

Cortex-M3的設(shè)計(jì)允許單片機(jī)高頻運(yùn)行（現(xiàn)代半導(dǎo)體制造技術(shù)能保證 100MHz以上的速度）即使在相同的速度下運(yùn)行，CM3的每指令周期數(shù)(CPI)也更低，于是同樣的 MHz下可以做更多的工作；另一方面，也使同一個(gè)應(yīng)用在 CM3上需要更低的主頻。

2、先進(jìn)的中斷處理功能

內(nèi)建的嵌套向量中斷控制器支持240條外部中斷輸入。向量化的中斷功能大大減少了中斷延遲，因?yàn)椴辉谛枰浖ヅ袛嘀袛嘣?。中斷的嵌套也是在硬件水平上?shí)現(xiàn)的，不需要軟件代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Cortex-M3在進(jìn)入異常服務(wù)例程時(shí)，自動(dòng)壓棧了 R0-R3, R12, LR, PSR 和PC，并且在返回時(shí)自動(dòng)彈出它們，這多清爽！既加速了中斷的響應(yīng)，也再不需要匯編語(yǔ)言代碼了

NVIC支持對(duì)每一路中斷設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)，使得中斷管理極富彈性。最粗線(xiàn)條的實(shí)現(xiàn)也至少要支持 8級(jí)優(yōu)先級(jí)，而且還能動(dòng)態(tài)地被修改。

優(yōu)化中斷響應(yīng)還有兩招，它們分別是“咬尾中斷機(jī)制”和“晚到中斷機(jī)制”。

有些需要較多周期才能執(zhí)行完的指令，是可以被中斷－繼續(xù)的——就好比它們是一串指令一樣。這些指令包括加載多個(gè)寄存器（LDM），存儲(chǔ)多個(gè)寄存器（STM），多個(gè)寄存器參與的PUSH，以及多個(gè)寄存器參與的 POP。

除非系統(tǒng)被徹底地鎖定，NMI（不可屏蔽中斷）會(huì)在收到請(qǐng)求的第一時(shí)間予以響應(yīng)。對(duì)很多安全-關(guān)鍵(safety-critical)的應(yīng)用，NMI都是必不可少的（如化學(xué)反應(yīng)即將失控時(shí)的緊急停機(jī)）。

通過(guò)上面我們可以很容易理解STM32的一些基本知識(shí)和結(jié)構(gòu)，為學(xué)習(xí)STM32打好了基礎(chǔ)。