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1 前 置 Cortex-M3 权 威 指 南 Joseph Yiu 著 宋 岩 译 热 心 网 友 校 对 1

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3 前 置 网 络 版 初 稿 的 译 序 我 接 触 ARM 的 历 史 约 4 年, 早 期 是 很 欣 赏 这 类 处 理 器, 到 了 后 来 切 身 使 用 它 们 的 机 会 越 来 越 多, 慢 慢 地 有 了 感 觉, 也 更 加 喜 欢 了 在 偶 然 听 说 Cortex-M3 后, 我 就 冥 冥 地 感 到 它 不 寻 常 只 是 因 为 其 它 工 作 一 直 没 有 去 了 解 它, 直 到 今 年 初 才 进 一 步 学 习, 很 快 就 觉 得 相 知 恨 晚 当 时 只 能 看 ARM 官 方 的 重 量 级 资 料, 在 看 到 这 本 书 的 英 文 原 稿 后, 更 感 觉 被 电 到 了 一 样, 于 是 突 然 有 了 把 它 翻 译 成 中 文 的 冲 动 经 过 累 计 约 150 个 小 时 的 奋 战, 终 于 有 了 此 译 稿 在 翻 译 过 程 中, 我 始 终 采 用 下 列 指 导 思 想 : 1. 尽 量 使 用 短 句, 并 且 把 句 子 口 语 化 我 认 为 高 深 的 道 理 不 一 定 要 用 高 级 的 语 法 句 型 才 能 表 达 想 想 看, 即 使 是 几 位 博 士 互 相 聊 天 讨 论 一 个 课 题, 也 还 是 使 用 口 语 吧, 而 且 火 花 往 往 就 是 在 这 种 讨 论 中 产 生 呢! 2. 多 用 修 辞 方 法, 并 且 常 常 引 用 表 现 力 强 的 词 汇 甚 至 包 括 网 络 用 语 和 脍 炙 人 口 的 歌 词 另 外, 有 时 会 加 工 句 子, 使 得 风 格 像 是 对 话 这 样 做 的 目 的 是 整 个 文 风 更 鲜 活 有 点 像 为 写 出 高 分 作 文 而 努 力 的 样 子 这 点 可 能 与 很 多 学 术 著 作 的 严 肃 平 实 文 风 不 同, 也 是 一 次 大 胆 的 尝 试 还 希 望 读 者 不 吝 给 予 反 馈 3. 在 宏 观 上 直 译, 在 微 观 上 意 译 英 语 不 仅 单 一 句 子 的 语 法 和 汉 语 不 同, 并 且 句 子 的 连 贯 方 式 也 与 汉 语 不 同 因 此 在 十 几 个 到 几 十 个 单 词 的 范 围 内, 我 先 把 它 们 翻 译 成 脑 子 里 的 中 间 语 言, 再 把 中 间 语 言 翻 译 成 汉 语 这 样, 就 最 大 地 避 免 了 贻 笑 大 方 的 英 式 汉 语 4. 有 些 术 语 名 词 不 方 便 翻 译 成 汉 语, 或 者 目 前 的 翻 译 方 式 不 统 一, 或 者 与 其 它 术 语 翻 译 的 结 果 很 接 近, 如 error 和 fault, 就 只 能 用 英 语 意 会 此 时 我 就 保 留 英 文 单 词, 相 信 这 样 比 硬 生 生 地 翻 译 成 汉 语 还 好 这 些 词 汇 主 要 是 :retarget, fault, region 等 另 外, 英 文 中 有 一 个 很 能 精 练 表 达 两 者 都 意 思 的 单 词 及 其 用 法 : both, 我 也 常 常 保 留 之 5. 图 表 对 颜 色 的 使 用 比 较 丰 满, 尤 其 是 比 较 大 型 的 插 图, 相 信 这 样 能 帮 助 读 者 分 析 和 理 解 插 图 是 从 原 图 直 接 复 制 的, 因 此 矢 量 图 变 成 了 位 图, 无 法 再 适 应 任 何 比 例 的 缩 放 不 过, 我 在 复 制 原 图 时, 把 原 图 以 200% 的 比 例 放 大, 从 而 提 高 了 图 片 的 质 量 6. 我 在 很 多 地 方 加 了 译 注 比 较 短 的 译 注 就 直 接 以 () 加 在 文 字 后 面 比 较 长 的 译 注 则 为 它 开 出 一 个 文 字 池, 放 到 相 应 的.text 后 面 并 与 之 相 临 早 期 的 译 注 多 用 于 解 释 一 些 不 是 很 广 为 人 知 的 术 语, 后 期 的 译 注 则 更 多 是 我 认 为 有 必 要 补 充 的 内 容, 包 括 读 者 在 阅 读 过 程 中 可 能 会 产 生 的 问 题, 容 易 混 淆 的 概 念, 深 入 理 解 等 7. 我 对 少 量 自 然 段 作 了 改 编 也 有 个 别 部 分 译 自 ARM 提 供 的 权 威 文 档 本 书 的 翻 译 工 作 在 40% 进 度 的 时 候 是 最 困 难 的 时 期, 有 一 种 好 像 长 跑 中 遇 到 了 所 谓 极 限 的 感 觉 望 着 距 离 掉 下 去 还 有 那 么 高 的 滚 动 条, 甚 至 都 有 停 住 的 自 我 暗 示 了 那 天 刚 好 是 哀 悼 日 的 第 一 天, 我 本 来 情 绪 很 低 沉, 但 在 我 看 到 默 哀 完 毕, 天 安 门 广 场 上 排 山 倒 海 般 地 呐 喊 中 国 加 油 时, 我 突 然 有 了 强 烈 的 共 振 感 觉, 那 是 一 种 热 泪 盈 眶 的 激 动 和 感 叹, 甚 至 觉 得 他 们 就 是 在 鼓 励 我! 让 我 一 下 子 振 作 起 来, 找 回 了 比 刚 开 始 还 要 强 烈 的 干 劲, 并 且 更 加 信 心 满 满 这 种 精 神 力 量 一 直 推 动 我 翻 译 完 最 后 一 个 字, 并 且 还 有 余 勇 可 贾 的 快 感 ^_^ 整 个 翻 译 的 时 间 跨 度 是 在 , 共 计 28 天 不 知 这 是 否 算 得 上 很 仓 促 想 必 有 很 多 句 式 还 能 改 得 更 好, 甚 至 还 有 错 别 字 等 低 级 错 误 我 使 用 了 五 笔 输 入 法, 可 能 错 别 字 会 错 得 很 离 奇, 不 过 肯 定 逃 不 过 读 者 雪 亮 的 双 眼 的 希 望 读 者 在 发 现 错 误 后 批 评 指 正 反 馈 地 址 是 :rock.song@hotmail.com, 也 可 以 通 过 QQ: / 本 译 稿 草 稿 完 成 后, 我 交 给 几 位 好 友 去 试 读 和 审 校, 得 以 揪 出 了 很 多 大 大 小 小 的 bugs 他 们 是 : 浮 云, 土 豆 波, 美 眉 Y, 李 天 后 在 这 里 以 点 名 表 示 感 谢! 宋 岩

4 前 置 出 版 致 谢 ( 按 时 间 顺 序 ) 在 本 译 文 的 酝 酿 期 和 翻 译 的 全 过 程, 我 的 兄 弟 魏 国 平 一 直 鼓 励 我, 相 信 这 是 对 社 会 有 益 的 事, 并 且 给 从 精 神 和 物 质 上 给 我 打 气 和 支 招 这 只 是 他 八 年 来 与 我 兄 弟 之 间 的 一 段 小 掠 影, 在 此 感 谢 之 情 已 难 以 言 表! 他 的 能 力 也 是 我 非 常 佩 服 的, 他 仅 在 加 入 国 内 视 频 监 控 业 的 老 大 海 康 威 视 一 年 后, 就 在 只 有 二 人 当 选 的 最 佳 员 工 中 榜 上 有 名 在 本 书 翻 译 的 后 期, 我 告 知 了 父 母 虽 然 他 们 知 道 这 会 冲 击 我 的 工 作, 但 依 然 支 持 我 继 续 下 去 对 父 母 的 感 谢 早 已 超 出 任 何 语 言 和 行 动 所 能 及 的 程 度, 因 此 不 多 提 也 罢 本 译 文 完 成 后, 我 交 给 了 4 位 好 友 去 试 读 在 这 里 为 他 / 她 们 正 名 : 黄 强, 杨 波, 马 铭 遥, 李 武 华 他 们 不 仅 评 估 了 译 文 在 文 笔 上 的 质 量, 还 找 出 了 一 些 错 误 尤 其 是 黄 强, 他 和 他 的 先 锋 突 击 队 率 先 软 硬 兼 施 地 实 践 过 基 于 CM3 的 STM32 单 片 机, 并 且 从 人 文 的 层 面 上 对 各 种 读 者 的 口 味 都 很 了 解, 因 此 为 我 提 出 最 多 的 技 术 上 和 文 风 上 的 建 议 在 内 测 期 和 译 文 发 表 后, 我 多 次 和 他 一 起 讨 论 如 何 改 进 另 外, 他 也 是 带 我 认 知 CM3 的 第 一 人 后 来, 我 的 恩 师 吴 建 德 在 看 过 译 文 后, 就 组 织 他 带 领 的 研 究 生 去 在 新 项 目 中 使 用 基 于 CM3 的 单 片 机, 并 且 研 究 在 电 源 与 拖 动 控 制 器 中, 从 16 位 DSP 转 到 CM3 上 的 一 些 课 题, 还 鼓 励 我 继 续 做 类 似 的 工 作 他 和 实 验 室 的 精 英 们 以 实 际 的 先 锋 行 动 给 了 我 很 大 的 鼓 励 在 内 部 测 试 期 间 和 网 上 发 表 后, 我 的 好 友 高 明 和 李 小 林 梁 纪 荣 沈 争 王 金 成 杨 福 双 叶 枫 和 于 艳 良 都 支 持 我 发 表, 并 且 在 我 工 作 之 余 为 我 计 划 未 来 的 蓝 图, 王 金 成 还 经 常 是 我 吐 苦 水 时 的 受 害 者 他 们 的 友 情 扫 除 了 我 在 工 作 中 的 枯 燥, 并 且 让 我 更 加 信 心 满 满! 在 经 过 内 部 测 试 版 后, 本 译 文 的 初 稿 是 发 表 在 的 论 坛 上 的 阿 莫 站 长 在 帖 子 发 表 后 的 第 一 时 间 ( 已 经 是 凌 晨 ) 就 置 酷, 后 来 又 置 顶, 再 后 来 还 专 门 开 出 一 个 Cortex-M3 技 术 讨 论 区, 并 任 命 我 为 第 一 任 版 主 阿 莫 给 了 我 一 个 大 舞 台, 这 也 是 一 个 大 家 畅 所 欲 言 求 医 问 道 展 现 自 己 闪 亮 的 大 舞 台 这 里 自 由 开 放, 甚 至 不 需 要 登 录 就 可 以 下 载 资 源! 在 这 里 再 次 向 阿 莫 站 长 致 敬! 帖 子 发 表 后,ouravr 的 很 多 热 心 网 友 回 贴 鼓 励 我, 顶 我 的 贴 子 直 到 顶 到 置 顶 难 能 可 贵 的 是 watercat 还 第 一 个 警 示 我 不 要 乐 昏 了 头, 提 出 我 的 这 种 翻 译 方 式 和 文 风 会 面 临 的 风 险 这 在 我 校 对 的 过 程 中 起 了 很 多 指 导 作 用 帖 子 发 表 后 才 两 天, 北 航 出 版 社 的 胡 晓 柏 主 任 就 联 系 我, 与 我 讨 论 出 版 的 事 宜 胡 主 任 其 实 早 就 慧 眼 识 中 了 这 本 书 的 原 版, 从 而 北 航 出 版 社 购 得 本 书 的 简 体 版 版 权 于 是, 本 书 中 文 版 的 出 版 简 直 是 大 路 通 天 般 的 顺 畅! 我 以 前 没 有 出 版 过 书, 胡 主 任 一 直 耐 心 地 解 答 我 的 每 个 疑 问, 无 论 在 邮 件 中 还 是 电 话 里, 都 平 易 近 人 在 商 务 上, 和 胡 主 任 与 北 航 出 版 社 的 合 作 也 轻 松 愉 快, 比 我 谈 的 绝 大 多 数 项 目 都 容 易 得 多 推 荐 大 家 有 好 作 品 就 去 找 他, 最 近 的 一 本 热 销 书 匠 人 手 记 也 是 胡 主 任 执 着 的 成 果 后 来 我 得 知, 是 周 立 功 先 生 在 看 到 译 文 后, 推 荐 使 用 这 个 译 文 出 版 的 后 来 周 公 还 来 信 鼓 励 我 再 接 再 厉 我 以 前 读 过 周 公 的 一 篇 讲 学 习 点 RTOS 的 文 章 后 曾 热 血 沸 腾, 在 此 对 周 公 的 大 度 和 鼓 励 我 非 常 感 激 后 来 在 上 海 沁 科 的 王 永 虹 经 理 主 办 的 一 次 活 动 中, 我 和 英 蓓 特 的 周 麒 相 叙 多 时 我 希 望 能 由 ARM 中 国 的 总 裁 谭 军 先 生 写 序, 经 过 周 麒 的 表 奏 后, 谭 总 欣 然 同 意 了 这 样 落 地 有 声 的 肯 定, 我 在 继 续 前 进 的 路 上 还 有 什 么 好 犹 豫 的! 我 现 在 觉 得 我 加 入 了 一 个 充 满 战 斗 力 并 且 温 暖 和 谐 的 精 英 先 锋 队, 为 了 让 32 位 单 片 机 新 生 代 的 春 风 化 雨 早 日 润 遍 人 间 而 激 情 战 斗! 谭 总 把 此 事 告 知 了 原 作 者, 他 的 中 文 名 是 姚 文 祥 先 生 他 也 很 高 兴 地 重 新 写 了 中 文 版 前 言, 并 且 还 把 今 年 夏 天 Cortex-M3 最 新 修 订 版 的 更 新 内 容 发 给 我, 以 使 此 书 与 时 俱 进 姚 先 生 的 敬 业 和 热 情 是 令 人 肃 然 起 敬 的! 4

5 前 置 感 谢 纸 版 的 读 者 您 您 的 阅 读 就 是 对 我 工 作 的 肯 定 和 鼓 励, 并 且 我 也 因 为 祖 国 的 嵌 入 式 领 域 在 向 次 世 代 挺 进 的 过 程 中, 又 多 了 一 位 生 力 军 而 兴 奋 不 已! 5

6 前 置 原 作 序 谁 是 最 节 能, 最 擅 长 把 好 钢 用 在 刀 刃 上 的 人? 要 让 我 说, 我 一 定 得 表 一 表 单 片 机 的 开 发 者 他 们 使 出 浑 身 解 术 写 出 精 妙 玲 珑 的 代 码, 把 单 片 机 点 点 滴 滴 的 力 量 汇 集 起 来, 让 它 如 同 涌 泉 一 般 尽 情 地 迸 发, 灌 溉 滋 养 着 各 行 各 业 是 什 么 灵 丹 妙 药 赐 予 了 他 们 这 么 神 奇 的 力 量? 天 资 聪 慧 是 主 观 方 面 在 客 观 方 面, 除 了 有 好 的 处 理 器 之 外, 还 要 配 合 好 的 开 发 环 境 和 工 具 链 也 正 出 于 此, 在 设 计 ARM7TDMI 处 理 器 时,ARM 的 工 具 链 工 程 师 们 和 CPU 设 计 师 们 强 强 联 手, 为 了 让 它 的 内 部 结 构 更 优 化 更 精 练 更 到 位 而 并 肩 奋 战 了 很 多 日 日 夜 夜, 终 于 有 了 ARM7TDMI 的 无 限 辉 煌, 并 且 久 经 岁 月 的 洗 礼 依 旧 光 芒 绽 放 珠 联 璧 合 的 最 新 果 实, 是 破 茧 而 出 的 ARM Cortex-M3 处 理 器 这 个 小 尤 物, 处 处 闪 耀 着 ARM 体 系 结 构 最 激 动 人 心 的 新 突 破 它 基 于 最 新 最 好 的 32 位 ARMv7 架 构 这 个 架 构 支 持 高 度 成 功 的 Thumb-2 指 令 集, 还 有 很 多 时 尚 前 卫 甚 至 崭 新 的 特 性, 充 满 了 新 生 代 的 气 息 它 在 很 好 很 强 大 的 同 时, 编 程 模 型 却 变 得 更 加 清 新 爽 洁 了 不 管 你 是 祖 国 的 花 朵 是 人 民 教 师 还 是 精 明 的 商 人, 也 无 所 谓 是 新 手 还 是 骨 灰 级 玩 家,Cortex-M3 都 将 尽 情 展 现 它 的 秀 外 慧 中, 带 给 你 喜 出 望 外 的 收 获 和 激 活! ARM 嵌 入 式 解 决 方 案 主 任 Wayne Lyons 6

7 前 置 前 言 不 管 你 是 做 软 件 的 还 是 做 硬 件 的, 只 要 相 中 了 ARM 的 Cortex-M3 处 理 器, 这 本 书 就 是 为 你 而 写 以 前 Cortex-M3 的 资 料 只 有 两 个 大 部 头, 分 别 是 : Cortex-M3 技 术 参 考 手 册 (Cortex-M3 Technical Reference Manual, 简 称 Cortex-M3 TRM) ARMv7-M 应 用 程 序 级 架 构 参 考 手 册 (ARMv7-M Application Level Architecture Reference Manual) 虽 然 这 它 俩 差 不 多 是 权 威 到 古 文 观 止 级 的, 但 实 在 是 太 深 入 了, 以 致 于 对 新 手 来 说 那 简 直 就 是 天 书 本 书 则 是 一 个 精 简 版, 并 且 叙 述 的 前 后 更 有 条 理 目 标 读 者 包 括 : 一 线 程 序 员, 嵌 入 式 产 品 设 计 师, 片 上 系 统 (SoC) 工 程 师, 嵌 入 式 系 统 发 烧 友, 学 院 研 究 员, 还 包 括 所 有 涉 猎 过 单 片 机 和 微 处 理 器 领 域, 慧 眼 识 珍 看 中 了 Cortex-M3 的 人 民 大 众 们 本 书 要 给 Cortex-M3 的 架 构 做 一 个 简 介, 浏 览 一 下 指 令 系 统, 写 几 个 段 代 码 练 练 手, 说 一 些 硬 件 特 性, 再 表 一 表 该 处 理 器 精 深 的 调 试 系 统 本 书 还 给 出 了 应 用 程 序 范 例, 手 把 手 地 教 你 使 用 开 发 工 具, 包 括 ARM 的 工 具 和 GNU 的 工 具 链 如 果 你 以 前 是 ARM7TDMI 的 玩 家, 正 准 备 着 升 级 装 备 到 Cortex-M3, 本 书 也 非 常 解 渴, 里 面 讲 述 了 两 者 的 不 同, 以 及 鸟 枪 换 炮 的 升 级 过 程 7

8 前 置 致 谢 我 要 感 谢 下 面 的 人 们, 他 们 有 人 帮 我 检 查 了 本 书, 还 有 人 提 供 了 我 建 议 和 反 馈 Alan Tringham, Dan Brook, David Brash, Haydn Povey, Gary Campbell, Kevin McDermott,Richard Earnshaw, Samin Ishtiaq, Shyam Sadasivan, Simon Axford, Simon Craske, Simon Smith, Stephen Theobald and Wayne Lyons. 我 还 要 感 谢 CodeSourcery 为 我 提 供 技 术 支 持, 以 及 Luminary Micro 提 供 封 面 图 ( 英 文 原 书 ) 当 然,Elsevier 的 朋 友 们 为 出 版 本 书 作 出 了 专 业 的 工 作, 在 这 里 我 也 要 一 并 感 谢 最 后, 特 别 感 谢 读 者 您, 以 及 Peter Cole 与 Ivan Yardley, 他 们 鼓 励 我 写 这 本 书 8

9 前 置 缩 略 语 缩 写 代 号 含 义 ADK AMBA 设 计 套 件 AHB 先 进 高 性 能 总 线 AHB-AP AHB 访 问 端 口 AMBA 先 进 单 片 机 总 线 架 构 APB 先 进 外 设 总 线 ARM ARM ARM 架 构 参 考 手 册 ASIC 行 业 领 域 专 用 集 成 电 路 ATB 先 进 跟 踪 总 线 BE8 字 节 不 变 式 大 端 模 式 CPI 每 条 指 令 的 周 期 数 CPU 中 央 处 理 单 元 DAP 调 试 访 问 端 口 DSP 数 字 信 号 处 理 器 / 数 字 信 号 处 理 DWT 数 据 观 察 点 及 跟 踪 ETM 嵌 入 式 跟 踪 宏 单 元 FPB 闪 存 地 址 重 载 及 断 点 FSR Fault 状 态 寄 存 器 HTM CoreSight AHB 跟 踪 宏 单 元 ICE 在 线 仿 真 器 IDE 集 成 开 发 环 境 IRQ 中 断 请 求 ( 通 常 是 指 外 部 中 断 的 请 求 ) ISA 指 令 系 统 架 构 ISR 中 断 服 务 例 程 ITM 仪 器 化 跟 踪 宏 单 元 JTAG 连 结 点 测 试 行 动 组 ( 一 个 关 于 测 试 和 调 试 接 口 的 标 准 ) JTAG-DP JTAG 调 试 端 口 LR 连 接 寄 存 器 LSB 最 低 有 效 位 LSU 加 载 / 存 储 单 元 MCU 微 控 制 器 单 元 ( 俗 称 单 片 机 ) MMU 存 储 器 管 理 单 元 MPU 存 储 器 保 护 单 元 MSB 最 高 有 效 位 MSP 主 堆 栈 指 针 NMI 不 可 屏 蔽 中 断 NVIC 嵌 套 向 量 中 断 控 制 器 OS 操 作 系 统 PC 程 序 计 数 器 PSP 进 程 堆 栈 指 针 PPB 私 有 外 设 总 线 9

10 前 置 本 书 大 面 积 地 使 用 了 如 下 的 排 版 字 体 约 定 : 普 通 汇 编 代 码 MOV R0, R1 ; 把 寄 存 器 R1 中 的 数 据 移 至 R0 以 模 式 化 语 法 表 示 的 汇 编 代 码 编 程 时 必 须 使 用 真 实 的 寄 存 器 名 字 MRS <reg>, <special_reg> ; C 程 序 代 码 for (i=0;i<3;i++) { func1(); } 伪 代 码 if (a > b) {... 数 值 : 1. 4'hC, 0x123 都 表 示 16 进 制 数 2. #3 表 示 数 字 3 (e.g., IRQ #3 就 是 指 3 号 中 断 ) 3. #immed_12 表 示 一 个 12 位 的 立 即 数 4. 寄 存 器 位 通 常 是 表 示 一 个 位 段 的 数 值, 例 如 bit[15:12] 表 示 位 序 号 从 15 往 下 数 到 12, 这 一 段 的 数 值 寄 存 器 访 问 类 型 1. R 表 示 只 读 2. W 表 示 只 写 3. RW 表 示 可 读 可 写 ( 前 3 条 好 像 地 球 人 都 知 道 ) 4. R/Wc 表 示 可 读, 但 是 写 访 问 将 使 之 清 0 10

11 前 置 其 它 参 考 资 料 1. Cortex-M3 Technical Reference Manual (TRM) (Cortex-M3 技 术 参 考 手 册 ) 请 从 下 载 2. ARMv7-M Architecture Application Level Reference Manual(ARMv7-M 应 用 级 架 构 参 考 手 册 ) 请 从 下 载 3.CoreSight Technology System Design Guide(CoreSight 技 术 系 统 设 计 指 导 ) 请 从 下 载 4. AMBA Specification (AMBA 规 格 书 ) 请 从 下 载 5. AAPCS Procedure Call Standard for the ARM Architecture(AAPCS ARM 架 构 过 程 调 用 标 准 ) 请 从 下 载 6. RVCT 3.0 Compiler and Library Guide(RVCT 3.0 编 译 器 及 库 向 导 ) 请 从 下 载 7. ARM Application Note 179: Cortex-M3 Embedded Software Development(ARM 应 用 笔 记 179: Cortex-M3 嵌 入 式 软 件 开 发 ) 请 从 下 载 译 注 : 这 些 资 料 都 不 是 什 么 省 油 的 灯, 阅 读 起 来 可 能 比 较 吃 力, 条 理 性 也 未 必 很 明 显 因 此 不 必 强 求 自 己 一 下 子 读 完 最 好 把 它 们 当 作 后 备 参 考 资 料, 遇 到 疑 难 时 再 诉 诸 于 它 们 找 答 案 另 外,3 号 和 4 号 资 料 更 倾 向 于 芯 片 设 计 师 的 口 味 11

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13 [ 键 入 文 字 ] 第 1 章 第 1 章 介 绍 ARM Cortex-M3 处 理 器 初 探 ARM 的 各 种 架 构 版 本 指 令 集 的 开 发 Thumb-2 指 令 集 架 构 (ISA) Cortex-M3 的 舞 台 本 书 组 织 深 入 研 究 用 的 读 物 1.1 ARM Cortex-M3 处 理 器 初 探 单 片 机 市 场 的 规 模 可 以 用 巨 无 霸 来 形 容, 预 计 到 2010 时 每 年 能 有 20G 片 的 出 货 量 世 界 各 地 的 器 件 供 应 商 纷 纷 亮 出 自 己 的 得 意 之 作, 他 们 提 供 的 器 件 和 架 构 也 是 各 具 特 色 业 界 内 部 可 谓 是 百 花 齐 放, 热 闹 非 凡, 好 戏 不 断 各 行 各 业 对 单 片 机 能 力 的 要 求 也 一 直 得 寸 进 尺, 而 且 还 又 要 马 儿 跑, 又 要 马 儿 不 吃 草 处 理 器 必 须 在 不 怎 么 增 加 主 频 和 功 耗 的 条 件 下 干 更 多 的 活 儿 另 一 方 面, 处 理 器 之 间 的 互 连 也 在 加 深, 看 这 一 串 串 熟 悉 的 字 眼 : 串 口,USB, 以 太 网, 无 线 数 传 处 理 器 如 欲 支 持 这 些 数 据 通 道, 就 必 须 在 片 上 塞 进 更 多 的 外 设 软 件 方 面 的 情 况 也 如 出 一 辙 : 应 用 程 序 的 功 能 一 直 在 花 样 翻 新, 性 能 需 求 也 是 变 本 加 厉 : 更 高 的 运 算 速 度, 更 硬 的 实 时 能 力, 更 多 的 功 能 模 块, 更 炫 的 图 形 界 面, 所 有 这 些 要 求 单 片 机 都 得 照 单 全 收 在 这 个 大 环 境 下,ARM Cortex-M3 处 理 器, 作 为 Cortex 系 列 的 处 女 作, 为 了 让 32 位 处 理 器 入 主 作 庄 单 片 机 市 场, 轰 轰 烈 烈 地 诞 生 了! 由 于 采 用 了 最 新 的 设 计 技 术, 它 的 门 数 更 低, 性 能 却 更 强 许 多 曾 经 只 能 求 助 于 高 级 32 位 处 理 器 或 DSP 的 软 件 设 计, 都 能 在 CM3 上 跑 得 很 快 很 欢 嵌 入 式 处 理 器 市 场 正 在 32 位 化, 相 信 用 不 了 多 久, CM3 就 一 定 会 在 这 美 丽 新 世 界 中 脱 颖 而 出 比 当 年 8051 推 动 整 个 业 界 还 有 过 之 而 无 不 及, 再 次 放 飞 工 程 师 们 的 梦 想, 让 深 埋 于 心 底 多 年 的 夙 愿 迎 来 dreams come true 的 激 动! CM3 的 招 牌 功 夫 包 括 : 性 能 强 劲 在 相 同 的 主 频 下 能 做 处 理 更 多 的 任 务, 全 力 支 持 劲 爆 的 程 序 设 计 功 耗 低 延 长 了 电 池 的 寿 命 这 简 直 就 是 便 携 式 设 备 的 命 门 ( 如 无 线 网 络 应 用 ) 实 时 性 好 采 用 了 很 前 卫 甚 至 革 命 性 的 设 计 理 念, 使 它 能 极 速 地 响 应 中 断, 而 且 响 应 中 断 所 需 的 周 期 数 是 确 定 的 代 码 密 度 得 到 很 大 改 善 一 方 面 力 挺 大 型 应 用 程 序, 另 一 方 面 为 低 成 本 设 计 而 省 吃 俭 用 使 用 更 方 便 现 在 从 8 位 /16 位 处 理 器 转 到 32 位 处 理 器 之 风 刮 得 越 来 越 猛, 更 简 单 的 编 程 模 型 和 更 透 彻 的 调 试 系 统, 为 与 时 俱 进 的 人 们 大 大 减 负 低 成 本 的 整 体 解 决 方 案 让 32 位 系 统 比 和 8 位 /16 位 的 还 便 宜, 低 端 的 Cortex-M3 单 片 机 甚 至 还 卖 不 到 1 美 元 遍 地 开 花 的 优 秀 开 发 工 具 免 费 的, 便 宜 的, 全 能 的, 要 什 么 有 什 么 基 于 Cortex-M3 内 核 的 处 理 器 已 渐 成 气 候, 以 处 处 满 溢 的 先 进 特 性 力 压 群 芳 而 且 架 构 师 们 还 在 不 停 地 求 索 降 低 成 本 的 出 路, 同 时 很 多 组 织 也 在 尝 试 着 实 现 器 件 聚 合 (device aggregation), 使 13

14 [ 键 入 文 字 ] 第 1 章 一 个 单 一 的 小 强 芯 片 可 以 抵 得 上 以 前 3 4 块 传 统 的 单 片 机 降 低 成 本 还 有 一 招, 就 是 使 基 础 代 码 在 所 有 系 统 中 都 可 以 重 用, 至 少 要 方 便 移 植 CM3 的 内 核 架 构 非 常 精 工 细 作, 使 它 与 C 语 言 成 为 了 一 个 梦 幻 绝 配 优 质 的 C 程 序 代 码 三 下 五 除 二 就 可 以 移 植 并 重 用, 使 升 级 和 移 植 一 下 子 从 拦 路 虎 变 成 了 纸 老 虎 值 得 一 提 的 是,CM3 并 不 是 第 一 个 被 拿 去 做 万 金 油 型 处 理 器 的 内 核 那 廉 颇 虽 老 却 依 然 骁 勇 的 ARM7/ARM9 处 理 器, 在 通 用 嵌 入 式 处 理 器 市 场 中 德 高 望 重, 至 今 拥 有 无 数 铁 杆 粉 丝 半 导 体 业 界 的 群 英 们, 像 NXP(philips) TI Atmel OKI ST 等, 都 以 ARM 为 内 核, 做 出 了 各 自 身 怀 绝 技 的 32 位 MCU ARM7 作 为 最 受 欢 迎 的 32 位 嵌 入 式 处 理 器, 被 载 入 了 亮 煌 煌 的 几 页 史 册 每 年 超 过 10 亿 片 出 货 量, 为 各 行 各 业 的 嵌 入 式 设 备 中 都 找 得 到 它 们 的 身 影 CM3 作 为 ARM7 的 后 继 者, 大 刀 阔 斧 地 改 革 了 设 计 架 构 从 而 显 著 地 简 化 了 编 程 和 调 试 的 复 杂 度, 处 理 能 力 也 更 加 强 大 除 此 之 外,CM3 还 突 破 性 地 引 入 了 很 多 时 尚 的 甚 至 崭 新 的 技 术, 专 门 满 足 单 片 机 应 用 程 序 的 需 求 比 如, 服 务 于 使 命 - 关 键 应 用 的 不 可 屏 蔽 中 断, 极 度 敏 捷 并 且 拥 有 确 定 性 的 嵌 套 向 量 中 断 系 统, 原 子 性 质 的 位 操 作, 还 有 一 个 可 选 的 内 存 保 护 单 元 这 些 令 人 惊 艳 和 振 奋 的 新 特 性, 让 老 的 ARM 玩 家 们 再 次 找 到 初 恋 时 烈 焰 迸 发 的 感 觉, 也 使 萍 水 相 逢 就 有 激 爽 触 电 般 的 体 验! 相 信 读 者 一 旦 有 机 会 用 到 了 它, 就 会 为 它 的 秀 外 慧 中 而 赞 叹, 爱 不 释 手! 从 Cortex-M3 处 理 器 内 核 到 基 于 Cortex-M3 的 MCU Cortex-M3 处 理 器 内 核 是 单 片 机 的 中 央 处 理 单 元 (CPU) 完 整 的 基 于 CM3 的 MCU 还 需 要 很 多 其 它 组 件 在 芯 片 制 造 商 得 到 CM3 处 理 器 内 核 的 使 用 授 权 后, 它 们 就 可 以 把 CM3 内 核 用 在 自 己 的 硅 片 设 计 中, 添 加 存 储 器, 外 设,I/O 以 及 其 它 功 能 块 不 同 厂 家 设 计 出 的 单 片 机 会 有 不 同 的 配 置, 包 括 存 储 器 容 量 类 型 外 设 等 都 各 具 特 色 本 书 主 讲 处 理 器 内 核 本 身 如 果 想 要 了 解 某 个 具 体 型 号 的 处 理 器, 还 需 查 阅 相 关 厂 家 提 供 的 文 档 ARM 及 ARM 架 构 的 背 景 一 路 走 来 让 我 们 回 顿 一 下 ARM 的 进 化 史, 你 会 知 道 为 什 么 会 有 品 种 如 此 之 多 的 ARM 处 理 器 和 ARM 架 构 ARM 在 1990 年 成 立, 当 初 的 名 字 是 Advanced RISC Machines Ltd.,, 当 时 它 是 三 家 公 司 的 合 资 14

15 [ 键 入 文 字 ] 第 1 章 它 们 分 别 是 苹 果 电 脑,Acorn 电 脑 公 司, 以 及 VLSI 技 术 ( 公 司 ) 在 1991 年,ARM 推 出 了 ARM6 处 理 器 家 族,VLSI 则 是 第 一 个 吃 螃 蟹 的 人 后 来, 陆 续 有 其 它 巨 头 : 包 括 TI, NEC, Sharp, ST 等, 都 获 取 了 ARM 授 权, 它 们 真 正 地 把 ARM 处 理 器 大 面 积 地 辅 开, 使 得 ARM 处 理 器 在 手 机, 硬 盘 控 制 器,PDA, 家 庭 娱 乐 系 统 以 及 其 它 消 费 电 子 中 都 大 展 雄 才 现 如 今,ARM 芯 片 的 出 货 量 每 年 都 比 上 一 年 多 20 亿 片 以 上 不 像 很 多 其 它 的 半 导 体 公 司,ARM 从 不 制 造 和 销 售 具 体 的 处 理 器 芯 片 取 而 代 之 的, 是 ARM 把 处 理 器 的 设 计 授 权 给 相 关 的 商 务 合 作 伙 伴, 让 他 们 去 根 据 自 己 的 强 项 设 计 具 体 的 芯 片, 这 些 伙 伴 可 都 是 巨 头 啊 基 于 ARM 低 成 本 和 高 效 的 处 理 器 设 计 方 案, 得 到 授 权 的 厂 商 生 产 了 多 种 多 样 的 的 处 理 器 单 片 机 以 及 片 上 系 统 (SoC) 这 种 商 业 模 式 就 是 所 谓 的 知 识 产 权 授 权 除 了 设 计 处 理 器,ARM 也 设 计 系 统 级 IP 和 软 件 IP 为 了 挺 它 们,ARM 开 发 了 许 多 配 套 的 基 础 开 发 工 具 硬 件 以 及 软 件 产 品 使 用 这 些 工 具, 合 作 伙 伴 可 以 更 加 舒 心 地 开 发 他 们 自 己 的 产 品 1.2 ARM 的 各 种 架 构 版 本 ARM 十 几 年 如 一 日 地 开 发 新 的 处 理 器 内 核 和 系 统 功 能 块 这 些 包 括 流 行 的 ARM7TDMI 处 理 器, 还 有 更 新 的 高 档 产 品 ARM1176TZ(F)-S 处 理 器, 后 者 能 拿 去 做 高 档 手 机 功 能 的 不 断 进 化, 处 理 水 平 的 持 续 提 高, 年 深 日 久 造 就 了 一 系 列 的 ARM 架 构 要 说 明 的 是, 架 构 版 本 号 和 名 字 中 的 数 字 并 不 是 一 码 事 比 如,ARM7TDMI 是 基 于 ARMv4T 架 构 的 (T 表 示 支 持 Thumb 指 令 );ARMv5TE 架 构 则 是 伴 随 着 ARM9E 处 理 器 家 族 亮 相 的 ARM9E 家 族 成 员 包 括 ARM926E-S 和 ARM946E-S ARMv5TE 架 构 添 加 了 服 务 于 多 媒 体 应 用 增 强 的 DSP 指 令 后 来 又 出 了 ARM11,ARM11 是 基 于 ARMv6 架 构 建 成 的 基 于 ARMv6 架 构 的 处 理 器 包 括 ARM1136J(F)-S,ARM1156T2(F)-S, 以 及 ARM1176JZ(F)-S ARMv6 是 ARM 进 化 史 上 的 一 个 重 要 里 程 碑 : 从 那 时 候 起, 许 多 突 破 性 的 新 技 术 被 引 进, 存 储 器 系 统 加 入 了 很 多 的 崭 新 的 特 性, 单 指 令 流 多 数 据 流 (SIMD) 指 令 也 是 从 v6 开 始 首 次 引 入 的 而 最 前 卫 的 新 技 术, 就 是 经 过 优 化 的 Thumb-2 指 令 集, 它 专 为 低 成 本 的 单 片 机 及 汽 车 组 件 市 场 ARMv6 的 设 计 中 还 有 另 一 个 重 大 的 决 定 : 虽 然 这 个 架 构 要 能 上 能 下, 从 最 低 端 的 MCU 到 最 高 端 的 应 用 处 理 器 都 通 吃, 但 不 能 因 此 就 这 也 会, 那 也 会, 但 就 是 都 不 精 仍 须 定 位 准 确, 使 处 理 器 的 架 构 能 胜 任 每 个 应 用 领 域 结 果 就 是, 要 使 ARMv6 能 够 灵 活 地 配 置 和 剪 裁 对 于 成 本 敏 感 市 场, 要 设 计 一 个 低 门 数 的 架 构, 让 她 有 极 强 的 确 定 性 ; 另 一 方 面, 在 高 端 市 场 上, 不 管 是 要 有 丰 富 功 能 的 还 是 要 有 高 性 能 的, 都 要 有 拿 得 出 手 的 好 东 西 最 近 的 几 年, 基 于 从 ARMv6 开 始 的 新 设 计 理 念,ARM 进 一 步 扩 展 了 它 的 CPU 设 计, 成 果 就 是 ARMv7 架 构 的 闪 亮 登 场 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 本 书 的 主 角 让 我 们 再 进 距 离 地 考 察 这 3 种 款 式 : 款 式 A(ARMv7-A): 需 要 运 行 复 杂 应 用 程 序 的 应 用 处 理 器 [ 译 注 1] 支 持 大 型 嵌 入 式 操 作 系 统 ( 不 一 定 实 时 译 注 ), 比 如 Symbian( 诺 基 亚 智 能 手 机 用 ),Linux, 以 及 微 软 的 Windows CE 和 智 能 手 机 操 作 系 统 Windows Mobile 这 些 应 用 需 要 劲 爆 的 处 理 性 能, 并 且 需 要 硬 件 MMU 实 现 的 完 整 而 强 大 的 虚 拟 内 存 机 制, 还 基 本 上 会 配 有 Java 支 持, 有 时 还 要 求 一 个 安 全 程 序 执 行 环 境 ( 用 于 电 子 商 务 译 注 ) 典 型 的 产 品 包 括 高 端 手 机 和 手 持 仪 器, 电 子 钱 包 以 及 金 融 事 务 处 理 机 [ 译 注 1]: 这 里 的 应 用 尤 指 大 型 应 用 程 序, 像 办 公 软 件, 导 航 软 件, 网 页 浏 览 器 等 这 些 软 件 的 使 用 习 惯 和 开 发 模 式 都 很 像 PC 上 的 软 件, 但 是 基 本 上 没 有 实 时 要 求 [ 注 1] 款 式 R(ARMv7-R): 硬 实 时 且 高 性 能 的 处 理 器 标 的 是 高 端 实 时 市 场 那 些 高 级 的 玩 意, 15

16 [ 键 入 文 字 ] 第 1 章 像 高 档 轿 车 的 组 件, 大 型 发 电 机 控 制 器, 机 器 手 臂 控 制 器 等, 它 们 使 用 的 处 理 器 不 但 要 很 好 很 强 大, 还 要 极 其 可 靠, 对 事 件 的 反 应 也 要 极 其 敏 捷 款 式 M(ARMv7-M): 认 准 了 旧 世 代 单 片 机 的 应 用 而 量 身 定 制 在 这 些 应 用 中, 尤 其 是 对 于 实 时 控 制 系 统, 低 成 本 低 功 耗 极 速 中 断 反 应 以 及 高 处 理 效 率, 都 是 至 关 重 要 的 Cortex 系 列 是 v7 架 构 的 第 一 次 亮 相, 其 中 Cortex-M3 就 是 按 款 式 M 设 计 的 [ 注 1]: 通 用 处 理 器 能 否 胜 任 实 时 系 统 的 控 制, 常 遭 受 质 疑, 并 且 在 这 方 面 的 争 论 从 没 停 止 过 从 定 义 的 角 度 讲, 实 时 就 是 指 系 统 必 须 在 给 定 的 死 线 (deadline, 亦 称 作 最 后 期 限 ) 内 做 出 响 应 在 一 个 以 ARM 处 理 器 为 核 心 的 系 统 中, 决 定 能 否 达 到 实 时 这 个 目 标 的, 有 很 多 因 素, 包 括 是 否 使 用 实 时 操 作 系 统, 中 断 延 迟, 存 储 器 延 时, 以 及 当 时 处 理 器 是 否 在 运 行 更 高 优 先 级 的 中 断 服 务 例 程 本 书 认 准 了 Cortex-M3 就 一 猛 子 扎 下 去 到 目 前 为 止,Cortex-M3 也 是 款 式 M 中 被 抚 养 成 人 的 独 苗 其 它 Cortex 家 族 的 处 理 器 包 括 款 式 A 的 Cortex-A8( 应 用 处 理 器 ), 款 式 R 的 Cortex-R4( 实 时 处 理 器 ) 图 1.2 ARM 处 理 器 架 构 进 化 史 ARMv7-M 的 私 房 秘 密 都 记 录 在 The ARMv7-M Architecture Application Level Reference Manual 中 ( 本 书 也 讲 了 很 多 System Level 的 内 容 译 注 ),ARM 已 经 将 其 公 开 Cortex M3 Technical Reference Manual 中 则 记 录 了 实 现 v7-m 时 的 很 多 细 节 和 花 絮 又 因 为 v7m 中 列 出 的 指 令 有 一 些 是 可 选 的, 而 CM3 裁 掉 了 一 部 分, 所 以 在 这 个 文 档 中 重 新 列 出 了 被 CM3 支 持 的 指 令 集 处 理 器 命 名 法 以 前,ARM 使 用 一 种 基 于 数 字 的 命 名 法 在 早 期 (1990s), 还 在 数 字 后 面 添 加 字 母 后 缀, 用 来 进 一 步 明 细 该 处 理 器 支 持 的 特 性 就 拿 ARM7TDMI 来 说,T 代 表 Thumb 指 令 集,D 是 说 支 持 JTAG 调 试 (Debugging),M 意 指 快 速 乘 法 器,I 则 对 应 一 个 嵌 入 式 ICE 模 块 后 来, 这 4 项 基 本 功 能 成 了 任 何 新 产 品 的 标 配, 于 是 就 不 再 使 用 这 4 个 后 缀 相 当 于 默 许 了 但 是 新 的 后 缀 不 断 加 入, 包 括 定 义 存 储 器 接 口 的, 定 义 高 速 缓 存 的, 以 及 定 义 紧 耦 合 存 储 器 (TCM) 的, 于 是 形 成 了 新 一 套 命 名 法, 这 套 命 名 法 也 是 一 直 在 使 用 的 16

17 [ 键 入 文 字 ] 第 1 章 表 1.1 ARM 处 理 器 名 字 处 理 器 名 字 架 构 版 本 号 存 储 器 管 理 特 性 其 它 特 性 ARM7TDMI v4t ARM7TDMI-S v4t ARM7EJ-S v5e DSP,Jazelle [ 译 注 3] ARM920T v4t MMU ARM922T v4t MMU ARM926EJ-S v5e MMU DSP,Jazelle ARM946E-S v5e MPU DSP ARM966E-S v5e DSP ARM968E-S v5e DMA,DSP ARM966HS v5e MPU( 可 选 ) DSP ARM1020E v5e MMU DSP ARM1022E v5e MMU DSP ARM1026EJ-S v5e MMU 或 MPU [ 译 注 2] DSP, Jazelle ARM1136J(F)-S v6 MMU DSP, Jazelle ARM1176JZ(F)-S v6 MMU+TrustZone DSP, Jazelle ARM11 MPCore v6 MMU+ 多 处 理 器 缓 存 DSP 支 持 ARM1156T2(F)-S v6 MPU DSP Cortex-M3 v7-m MPU( 可 选 ) NVIC Cortex-R4 v7-r MPU DSP Cortex-R4F v7-r MPU DSP+ 浮 点 运 算 Cortex-A8 v7-a MMU+TrustZone DSP, Jazelle [ 译 注 2]:Jazelle 是 ARM 处 理 器 的 硬 件 Java 加 速 器 [ 译 注 3]:MMU, 存 储 器 管 理 单 元, 用 于 实 现 虚 拟 内 存 和 内 存 的 分 区 保 护, 这 是 应 用 处 理 器 与 嵌 入 式 处 理 器 的 分 水 岭 电 脑 和 数 码 产 品 所 使 用 的 处 理 器 几 乎 清 一 色 地 都 带 MMU 但 是 MMU 也 引 入 了 不 确 定 性, 这 有 时 是 嵌 入 式 领 域 尤 其 是 实 时 系 统 不 可 接 受 的 然 而 对 于 安 全 关 键 (safety-critical) 的 嵌 入 式 系 统, 还 是 不 能 没 有 内 存 的 分 区 保 护 的 为 解 决 矛 盾, 于 是 就 有 了 MPU 可 以 把 MPU 认 为 是 MMU 的 功 能 子 集, 它 只 支 持 分 区 保 护, 不 支 持 具 有 定 位 决 定 性 的 虚 拟 内 存 机 制 到 了 架 构 7 时 代,ARM 改 革 了 一 度 使 用 的, 冗 长 的 需 要 解 码 的 数 字 命 名 法, 转 到 另 一 种 看 起 来 比 较 整 齐 的 命 名 法 比 如,ARMv7 的 三 个 款 式 都 以 Cortex 作 为 主 名 这 不 仅 更 加 澄 清 并 且 精 装 了 所 使 用 的 ARM 架 构, 也 避 免 了 新 手 对 架 构 号 和 系 列 号 的 混 淆 例 如,ARM7TDMI 并 不 是 一 款 ARMv7 的 产 品, 而 是 辉 煌 起 点 v4t 架 构 的 产 品 1.3 指 令 集 的 发 展 为 了 增 强 和 扩 展 指 令 系 统 的 能 力 而 奋 斗, 多 少 年 来 这 一 直 是 ARM 锲 而 不 舍 的 精 神 动 力 由 于 历 史 原 因 ( 从 ARM7TDMI 开 始 ),ARM 处 理 器 一 直 支 持 两 种 形 式 上 相 对 独 立 的 指 令 集, 它 们 分 别 是 : 17

18 [ 键 入 文 字 ] 第 1 章 32 位 的 ARM 指 令 集 对 应 处 理 器 状 态 :ARM 状 态 16 位 的 Thumb 指 令 集 对 应 处 理 器 状 态 :Thumb 状 态 可 见, 这 两 种 指 令 集 也 对 应 了 两 种 处 理 器 执 行 状 态 在 程 序 的 执 行 过 程 中, 处 理 器 可 以 动 态 地 在 两 种 执 行 状 态 之 中 切 换 实 际 上,Thumb 指 令 集 在 功 能 上 是 ARM 指 令 集 的 一 个 子 集, 但 它 能 带 来 更 高 的 代 码 密 度, 给 目 标 代 码 减 肥 这 对 于 要 勒 紧 裤 腰 带 的 应 用 还 是 很 经 济 的 图 1.3 指 令 集 演 进 图 译 注 1: 原 书 把 Thumb-2 的 问 世 时 间 放 到 v7 中, 但 根 据 其 它 权 威 文 献 的 记 录, 似 有 误, 应 在 v6 中 问 世 ( 如 ARM and Thumb-2 Instruction Set Quick Reference Card 中 的 描 述 ) 随 着 架 构 版 本 号 的 更 新, 新 好 指 令 不 断 地 加 入 ARM 和 Thumb 指 令 集 中 附 录 2 中 给 出 的 内 容, 就 是 Thumb 指 令 在 架 构 进 化 过 程 中 的 改 变 记 录 Thumb-2 是 2003 年 盛 夏 的 果 实, 它 是 Thumb 的 超 集, 它 支 持 both 16 位 和 32 位 指 令 指 令 集 的 详 细 说 明 在 The ARM Architecture Reference Manual ( 简 称 为 ARMARM) 中 每 次 ARM 出 新 版 本 时 此 手 册 都 有 更 新 到 了 v7 时, 因 为 以 前 的 单 一 架 构 被 分 成 了 3 个 款 式, 这 个 规 格 书 也 就 跟 着 变 成 了 3 本 为 Corex-M3 的 ARMv7-M 架 构 而 写 的 那 本 叫 ARMv7-M Architecture Application Level Reference Manual(Ref2), 对 于 软 件 开 发 人 员, 那 里 面 把 该 说 的 都 说 了 1.4 Thumb-2 指 令 集 体 系 体 系 结 构 (ISA) Thumb-2 真 不 愧 是 一 个 突 破 性 的 指 令 集 它 强 大, 它 易 用, 它 轻 佻, 它 高 效 Thumb-2 是 16 位 Thumb 指 令 集 的 一 个 超 集, 在 Thumb-2 中,16 位 指 令 首 次 与 32 位 指 令 并 存, 结 果 在 Thumb 状 态 下 可 以 做 的 事 情 一 下 子 丰 富 了 许 多, 同 样 工 作 需 要 的 指 令 周 期 数 也 明 显 下 降 18

19 [ 键 入 文 字 ] 第 1 章 图 1.4 Thumb-2 指 令 集 与 Thumb 指 令 集 的 关 系 从 图 中 可 见,Cortex-M3 勇 敢 地 拒 绝 了 32 位 ARM 指 令 集, 却 把 自 己 的 处 理 能 力 以 身 相 许 般 地 全 托 给 Thumb-2 指 令 集 这 可 能 有 些 令 人 意 外, 但 事 实 上 这 却 见 证 了 Cortex-M3 的 用 情 专 一 : 在 内 核 水 平 上, 就 已 经 为 适 应 单 片 机 和 小 内 存 器 件 而 抉 择 取 舍 过 了 但 她 没 有 嫁 错 郎, 因 为 Thumb-2 完 全 胜 任 在 这 个 领 域 挑 大 梁 不 过, 这 也 意 味 着 Cortex-M3 作 为 新 生 代 处 理 器, 不 是 向 后 兼 容 的 因 此, 为 ARM7 写 的 ARM 汇 编 语 言 程 序 不 能 直 接 移 植 到 CM3 上 来 不 过,CM3 支 持 绝 大 多 数 传 统 的 Thumb 指 令, 因 此 用 Thumb 指 令 写 的 汇 编 程 序 就 从 善 如 流 了 在 支 持 了 both 16 位 和 32 位 指 令 之 后, 就 无 需 烦 心 地 把 处 理 器 状 态 在 Thumb 和 ARM 之 间 来 回 的 切 换 了 这 种 事 在 ARM7 和 ARM9 是 司 空 见 惯 的, 尤 其 是 在 使 用 大 型 条 件 嵌 套, 以 及 执 行 复 杂 运 算 的 时 候, 能 精 妙 地 移 形 换 影 于 不 同 状 态 之 间, 那 可 是 当 年 要 成 为 大 虾 的 基 本 功 Cortex-M3 是 ARMv7 架 构 的 掌 上 明 珠 和 曾 经 红 透 整 个 业 界 的 老 一 辈 ARM7 相 比,Cortex-M3 则 是 新 生 代 的 偶 像, 处 处 闪 耀 着 青 春 的 光 芒 活 力 比 如, 硬 件 除 法 器 被 带 到 CM3 中 ; 乘 法 方 面, 也 有 好 几 条 新 指 令 闪 亮 登 场, 用 于 提 升 data-crunching 的 性 能 CM3 的 出 现, 还 在 ARM 处 理 器 中 破 天 荒 地 支 持 了 非 对 齐 数 据 访 问 支 持 1.5 Cortex-M3 处 理 器 的 舞 台 高 性 能 + 高 代 码 密 度 + 小 硅 片 面 积,3 璧 合 一, 使 得 CM3 大 面 积 地 成 为 理 想 的 处 理 平 台 : 低 成 本 单 片 机 :CM3 与 生 俱 来 就 适 合 做 单 片 机, 甚 至 简 单 到 用 于 做 玩 具 和 小 电 器 的 单 片 机, 都 能 使 用 CM3 作 为 内 核 这 里 本 是 8 位 机 和 16 位 机 统 治 最 牢 固 的 腹 地, 但 是 CM3 更 便 宜, 更 高 性 能, 更 易 使 用, 所 以 值 得 开 发 者 们 转 到 这 个 新 生 的 ARM32 位 系 统 中 来, 哪 怕 花 点 时 间 重 新 学 习 汽 车 电 子 :CM3 也 是 汽 车 电 子 的 好 俅 CM3 同 时 拥 有 非 常 高 的 性 能 和 极 低 的 中 断 延 迟, 打 入 实 时 领 域 的 大 门 CM3 处 理 器 能 支 持 多 达 240 个 外 部 中 断, 内 建 了 嵌 套 向 量 中 断 控 制 器, 还 可 以 选 择 配 上 一 个 存 储 器 保 护 单 元 (MPU) 所 有 这 些, 使 它 用 于 高 集 成 度 低 成 本 的 汽 车 应 用 最 合 适 不 过 了 数 据 通 信 :CM3 的 低 成 本 + 高 效 率, 再 加 上 Thumb-2 的 强 大 位 操 作 指 令 s, 使 CM3 非 常 理 想 地 适 合 于 很 多 数 据 通 信 应 用, 尤 其 是 无 线 数 传 和 Ad-Hoc 网 络, 如 ZigBee 和 蓝 牙 等 工 业 控 制 : 在 工 控 场 合, 关 键 的 要 素 在 于 简 洁 快 速 响 应 以 及 可 靠 再 一 次 地,CM3 处 理 器 的 中 断 处 理 能 力, 低 中 断 延 迟, 强 化 的 故 障 处 理 能 力 (fault-handing, 以 后 fault 就 不 再 译 成 中 文 了 译 注 ), 足 以 让 它 能 昂 首 挺 胸 地 踏 入 这 片 热 土 消 费 类 产 品 : 以 往, 在 许 多 消 费 产 品 中, 都 必 须 使 用 一 块 甚 至 好 几 块 高 性 能 的 微 处 理 器 你 别 19

20 [ 键 入 文 字 ] 第 1 章 看 CM3 只 是 个 小 处 理 器, 它 的 高 性 能 和 MPU 机 制 可 是 足 以 让 复 杂 的 软 件 跑 起 来 的, 同 时 提 供 健 壮 的 存 储 器 保 护 目 前 在 市 场 上 已 经 有 了 好 多 基 于 Cortex-M3 内 核 的 处 理 器 产 品, 最 便 宜 的 还 不 到 1 美 元, 让 ARM 终 于 比 很 多 8 位 机 还 便 宜 了 本 书 的 组 织 Chpt 1 和 2, Chpt 3-6, Chpt 7-9, Chpt 10 和 11, Chpt 12-14, Chpt 15-16, Chpt 17-20, 附 录 s Cortex-M3 的 介 绍 和 概 览 Cortex-M3 的 基 础 知 识 异 常 与 中 断 论 述 在 Cortex-M3 的 编 程 Cortex-M3 的 硬 件 特 性 Cortex-M3 的 调 试 支 持 在 Cortex-M3 上 的 应 用 软 件 开 发 1.6 深 入 研 究 用 的 读 物 本 书 并 没 有 面 面 俱 到 地 谈 及 Cortex-M3 的 技 术 细 节 本 书 靠 前 的 章 节 用 来 做 Cortex-M3 新 手 的 敲 门 砖, 同 时 也 是 CM3 处 理 器 的 增 值 参 考 资 料 如 果 要 进 一 步 地 学 习, 就 需 要 从 ARM 网 站 下 载 下 面 这 些 重 量 级 的 权 威 资 料 : The Cortex-M3 Technical Reference Manual, 深 入 了 处 理 器 的 内 心, 编 程 模 型, 存 储 器 映 射, 还 包 括 了 指 令 时 序 The ARMv7-M Architecture Application Level Reference Manual 第 2 版, 对 指 令 集 和 存 储 器 模 型 都 提 供 了 最 不 嫌 繁 的 说 明 其 它 半 导 体 厂 家 提 供 的, 基 于 CM3 单 片 机 的 数 据 手 册 如 想 了 解 更 多 总 线 协 议 的 细 节, 可 以 去 看 AMBA Specification 2.0 ( 第 4 版 ), 它 讲 了 更 多 AMBA 接 口 的 内 幕 对 于 C 程 序 员, 可 以 从 ARM Application Note 179: Cortex-M3 Embedded Software Development ( 第 7 版 ) 中 得 到 一 些 编 程 技 巧 和 提 示 本 书 假 设 你 已 经 涉 足 过 嵌 入 式 编 程, 有 一 些 基 本 知 识 和 经 验 如 果 你 是 位 产 品 经 理 或 者 是 想 先 浅 浅 地 尝 一 尝, 请 先 读 第 2 章, 试 着 找 找 感 觉 再 决 定 要 不 要 深 入 学 习 这 一 章 浓 缩 了 全 书 的 精 华, 走 马 观 花 地 讲 了 Cortex-M3 内 核 20

21 第 2 章 第 2 章 Cortex-M3 概 览 内 容 提 要 : 简 介 寄 存 器 组 操 作 模 式 和 特 权 极 别 内 建 的 嵌 套 向 量 中 断 控 制 器 存 储 器 映 射 总 线 接 口 存 储 器 保 护 单 元 指 令 系 统 中 断 和 异 常 调 试 支 持 小 结 2.1 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 ) 换 句 话 说, 不 是 因 为 有 两 条 总 线, 可 寻 址 空 间 就 变 成 8GB 了 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 CM3 内 部 还 附 赠 了 好 多 调 试 组 件, 用 于 在 硬 件 水 平 上 支 持 调 试 操 作, 如 指 令 断 点, 数 据 观 察 点 等 另 外, 为 支 持 更 高 级 的 调 试, 还 有 其 它 可 选 组 件, 包 括 指 令 跟 踪 和 多 种 类 型 的 调 试 接 口 21

22 第 2 章 图 2.1 Cortex-M3 的 一 个 简 化 视 图 [ 图 2.1 注 ] : 1. 原 文 为 Debug System 但 从 图 中 看, 疑 似 有 误, 更 像 Trace System, 故 改 为 跟 踪 系 统 2. 天 花 板 方 块 标 示 的 是 可 选 部 分 其 中 MPU 全 部 可 选, 而 跟 踪 系 统 与 调 试 接 口 的 组 件 则 有 一 部 分 是 可 选 的 2.2 寄 存 器 组 Cortex-M3 处 理 器 拥 有 R0-R15 的 寄 存 器 组 其 中 R13 作 为 堆 栈 指 针 SP SP 有 两 个, 但 在 同 一 时 刻 只 能 有 一 个 可 以 看 到, 这 也 就 是 所 谓 的 banked 寄 存 器 22

23 第 2 章 R0-R12: 通 用 寄 存 器 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 Banked R13: 两 个 堆 栈 指 针 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 在 ARM 编 程 领 域 中, 凡 是 打 断 程 序 顺 序 执 行 的 事 件, 都 被 称 为 异 常 (exception) 除 了 外 部 中 断 外, 当 有 指 令 执 行 了 非 法 操 作, 或 者 访 问 被 禁 的 内 存 区 间, 因 各 种 错 误 产 生 的 fault, 以 及 不 可 屏 蔽 中 断 发 生 时, 都 会 打 断 程 序 的 执 行, 这 些 情 况 统 称 为 异 常 在 不 严 格 的 上 下 文 中, 异 常 与 中 断 也 可 以 混 用 另 外, 程 序 代 码 也 可 以 主 动 请 求 进 入 异 常 状 态 的 ( 常 用 于 系 统 调 用 ) R14: 连 接 寄 存 器 当 呼 叫 一 个 子 程 序 时, 由 R14 存 储 返 回 地 址 不 像 大 多 数 其 它 处 理 器,ARM 为 了 减 少 访 问 内 存 的 次 数 ( 访 问 内 存 的 操 作 往 往 要 3 个 以 上 指 令 周 期, 带 MMU 和 cache 的 就 更 加 不 确 定 了 ), 把 返 回 地 址 直 接 存 储 在 寄 存 器 中 这 样 足 以 使 很 多 只 有 1 级 子 程 序 调 用 的 代 码 无 需 访 问 内 存 ( 堆 栈 内 存 ), 从 而 提 高 了 子 程 序 调 用 的 效 率 如 果 多 于 1 级, 则 需 要 把 前 一 级 的 R14 值 压 到 堆 栈 里 在 ARM 上 编 程 时, 应 尽 量 只 使 用 寄 存 器 保 存 中 间 结 果, 迫 不 得 以 时 才 访 问 内 存 在 RISC 处 理 器 中, 为 了 强 调 访 内 操 作 越 23

24 第 2 章 过 了 处 理 器 的 界 线, 并 且 带 来 了 对 性 能 的 不 利 影 响, 给 它 取 了 一 个 专 业 的 术 语 : 溅 出 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 ( 很 多 高 级 技 巧 就 在 这 里 面 译 注 ) 特 殊 功 能 寄 存 器 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) 图 2.3: Cortex-M3 中 的 特 殊 功 能 寄 存 器 集 合 表 2.1 寄 存 器 及 其 功 能 寄 存 器 功 能 xpsr 记 录 ALU 标 志 (0 标 志, 进 位 标 志, 负 数 标 志, 溢 出 标 志 ), 执 行 状 态, 以 及 当 前 正 服 务 的 中 断 号 PRIMASK 除 能 所 有 的 中 断 当 然 了, 不 可 屏 蔽 中 断 (NMI) 才 不 甩 它 呢 FAULTMASK 除 能 所 有 的 fault NMI 依 然 不 受 影 响, 而 且 被 除 能 的 faults 会 上 访, 见 后 续 章 节 的 叙 述 BASEPRI 除 能 所 有 优 先 级 不 高 于 某 个 具 体 数 值 的 中 断 CONTROL 定 义 特 权 状 态 ( 见 后 续 章 节 对 特 权 的 叙 述 ), 并 且 决 定 使 用 哪 一 个 堆 栈 指 针 第 3 章 对 此 有 展 开 的 叙 述 2.3 操 作 模 式 和 特 权 极 别 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 (handler mode, 以 后 不 再 把 handler 中 译 译 注 ) 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 24

25 第 2 章 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 译 注 : 用 户 级 其 实 是 从 user 译 来 的 有 些 时 候 英 文 文 档 也 使 用 术 语 Unprivileged, 后 者 如 果 直 译, 则 称 为 非 特 权 级 为 统 一 术 语, 本 译 文 一 律 使 用 用 户 级 图 2.4 Cortex-M3 下 的 操 作 模 式 和 特 权 级 别 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 ( 也 可 以 手 工 指 定 返 回 的 状 态 译 注 ) 图 2.5 合 法 的 操 作 模 式 转 换 图 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 举 例 来 说, 操 作 系 统 的 内 核 通 常 都 在 特 权 级 下 执 行, 所 有 没 有 被 MPU 禁 掉 的 存 储 器 都 可 以 访 问 在 操 作 系 统 开 启 了 一 个 用 户 程 序 后, 通 常 都 会 让 它 在 用 户 级 下 执 行, 从 而 使 系 统 不 会 因 某 个 程 序 的 崩 溃 或 恶 意 破 坏 而 受 损 25

26 第 2 章 2.4 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 Interrupt Controller) 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 动 态 优 先 级 调 整 支 持 软 件 可 以 在 运 行 时 期 更 改 中 断 的 优 先 级 如 果 在 某 ISR 中 修 改 了 自 己 所 对 应 中 断 的 优 先 级, 而 且 这 个 中 断 又 有 新 的 实 例 处 于 悬 起 中 (pending), 也 不 会 自 己 打 断 自 己, 从 而 没 有 重 入 (reentry) [ 译 注 7] 风 险 [ 译 注 7]: 所 谓 的 重 入, 就 是 指 某 段 子 程 序 还 没 有 执 行 完, 就 因 为 中 断 或 者 是 多 任 务 操 作 系 统 的 调 度 原 因, 导 致 该 子 程 序 在 一 个 新 的 寄 存 器 上 下 文 中 被 执 行 ( 请 不 要 把 重 入 与 递 归 混 淆, 它 们 有 本 质 的 区 别 ) 这 种 情 况 常 常 会 闹 出 乱 子, 因 此 有 可 重 入 性 的 研 究 中 断 延 迟 大 大 缩 短 Cortex-M3 为 了 缩 短 中 断 延 迟, 引 入 了 好 几 个 新 特 性 包 括 自 动 的 现 场 保 护 和 恢 复, 以 及 其 它 的 措 施, 用 于 缩 短 中 断 嵌 套 时 的 ISR 间 延 迟 详 情 请 见 后 面 关 于 咬 尾 中 断 和 晚 到 中 断 的 讲 述 中 断 可 屏 蔽 既 可 以 屏 蔽 优 先 级 低 于 某 个 阈 值 的 中 断 / 异 常 [ 译 注 8]( 设 置 BASEPRI 寄 存 器 ), 也 可 以 全 体 封 杀 ( 设 置 PRIMASK 和 FAULTMASK 寄 存 器 ) 这 是 为 了 让 时 间 关 键 (time-critical) 的 任 务 能 在 死 线 26

27 第 2 章 (deadline, 或 曰 最 后 期 限 ) 到 来 前 完 成, 而 不 被 干 扰 [ 译 注 8]: 鉴 于 ( 外 部 ) 中 断 的 常 见 性, 以 后 译 文 中 如 果 没 有 特 殊 说 明, 凡 是 提 到 异 常, 均 指 除 了 外 部 中 断 之 外 的 异 常, 而 使 用 中 断 来 表 示 所 有 外 部 中 断 也 就 是 对 于 处 理 器 来 说 是 异 步 的 中 断 2.5 存 储 器 映 射 总 体 来 说,Cortex-M3 支 持 4GB 存 储 空 间, 如 图 2.6 所 示 地 被 划 分 成 若 干 区 域 从 图 中 可 见, 不 像 其 它 的 ARM 架 构, 它 们 的 存 储 器 映 射 由 半 导 体 厂 家 说 了 算,Cortex-M3 预 先 定 义 好 了 粗 线 条 的 存 储 器 映 射 通 过 把 片 上 外 设 的 寄 存 器 映 射 到 外 设 区, 就 可 以 简 单 地 以 访 问 内 存 的 方 式 来 访 问 这 些 外 设 的 寄 存 器, 从 而 控 制 外 设 的 工 作 结 果, 片 上 外 设 可 以 使 用 C 语 言 来 操 作 这 种 预 定 义 的 映 射 关 系, 也 使 得 对 访 问 速 度 可 以 做 高 度 的 优 化, 而 且 对 于 片 上 系 统 的 设 计 而 言 更 易 集 成 ( 还 有 一 个 重 要 的, 不 用 每 学 一 种 不 同 的 单 片 机 就 要 熟 悉 一 种 新 的 存 储 器 映 射 译 注 ) Cortex-M3 的 内 部 拥 有 一 个 总 线 基 础 设 施, 专 用 于 优 化 对 这 种 存 储 器 结 构 的 使 用 在 此 之 上, CM3 甚 至 还 允 许 这 些 区 域 之 间 越 权 使 用 比 如 说, 数 据 存 储 器 也 可 以 被 放 到 代 码 区, 而 且 代 码 也 能 够 在 外 部 RAM 区 中 执 行 ( 但 是 会 变 慢 不 少 译 注 ) 处 于 最 高 地 址 的 系 统 级 存 储 区, 是 CM3 用 于 藏 私 房 钱 的 包 括 中 断 控 制 器 MPU 以 及 各 种 调 试 组 件 所 有 这 些 设 备 均 使 用 固 定 的 地 址 ( 本 书 第 5 章 讨 论 存 储 器 系 统 ) 通 过 把 基 础 设 施 的 地 址 定 死, 就 至 少 在 内 核 水 平 上, 为 应 用 程 序 的 移 植 扫 清 了 障 碍 27

28 第 2 章 2.6 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 2.7 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 ( 区 的 原 文 是 region, 以 后 不 再 中 译 此 名 词 译 注 ) 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 ) 2.8 指 令 集 Cortex-M3 只 使 用 Thumb-2 指 令 集 这 是 个 了 不 起 的 突 破, 因 为 它 允 许 32 位 指 令 和 16 位 指 令 水 乳 交 融, 代 码 密 度 与 处 理 性 能 两 手 抓, 两 手 都 硬 而 且 虽 然 它 很 强 大, 却 依 然 易 于 使 用 在 过 去, 做 ARM 开 发 必 须 处 理 好 两 个 状 态 这 两 个 状 态 是 井 水 不 犯 河 水 的, 它 们 是 :32 位 的 ARM 状 态 和 16 位 的 Thumb 状 态 当 处 理 器 在 ARM 状 态 下 时, 所 有 的 指 令 均 是 32 位 的 ( 哪 怕 只 是 个 NOP 指 令 ), 此 时 性 能 相 当 高 而 在 Thumb 状 态 下, 所 有 的 指 令 均 是 16 位 的, 代 码 密 度 提 高 了 一 倍 不 过,thumb 状 态 下 的 指 令 功 能 只 是 ARM 下 的 一 个 子 集, 结 果 可 能 需 要 更 多 条 的 指 令 去 完 成 相 同 的 工 作, 导 致 处 理 性 能 下 降 为 了 取 长 补 短, 很 多 应 用 程 序 都 混 合 使 用 ARM 和 Thumb 代 码 段 然 而, 这 种 混 合 使 用 是 有 额 外 开 销 (overhead) 的, 时 间 上 的 和 空 间 上 的 都 有, 主 要 发 生 在 状 态 切 换 之 时 另 一 方 面,ARM 代 码 和 Thumb 代 码 需 要 以 不 同 的 方 式 编 译, 这 也 增 加 了 软 件 开 发 管 理 的 复 杂 度 28

29 第 2 章 图 2.7 在 诸 如 ARM7 处 理 器 上 的 状 态 切 换 模 式 图 伴 随 着 Thumb-2 指 令 集 的 横 空 出 世, 终 于 可 以 在 单 一 的 操 作 模 式 下 搞 定 所 有 处 理 了, 再 也 没 有 来 回 切 换 的 事 来 烦 你 了 事 实 上,Cortex-M3 内 核 干 脆 都 不 支 持 ARM 指 令, 中 断 也 在 Thumb 态 下 处 理 ( 以 前 的 ARM 总 是 在 ARM 状 态 下 处 理 所 有 的 中 断 和 异 常 ) 这 可 不 是 小 便 宜, 它 使 CM3 在 好 几 个 方 面 都 比 传 统 的 ARM 处 理 器 更 先 进 : 消 灭 了 状 态 切 换 的 额 外 开 销, 节 省 了 both 执 行 时 间 和 指 令 空 间 不 再 需 要 把 源 代 码 文 件 分 成 按 ARM 编 译 的 和 按 Thumb 编 译 的, 软 件 开 发 的 管 理 大 大 减 负 无 需 再 反 复 地 求 证 和 测 试 : 究 竟 该 在 何 时 何 地 切 换 到 何 种 状 态 下, 我 的 程 序 才 最 有 效 率 开 发 软 件 容 易 多 了 不 少 有 趣 和 强 大 的 指 令 为 Cortex-M3 注 入 了 新 鲜 的 青 春 血 液, 下 面 给 出 几 个 例 子 : UBFX,BFI,BFC: 位 段 提 取, 位 段 插 入, 位 段 清 零 支 持 C 位 段, 也 简 化 了 外 设 寄 存 器 操 作 CLZ,RBIT: 计 算 前 导 零 指 令 和 位 反 转 指 令 二 者 组 合 使 用 能 实 现 一 些 特 技 UDIV,SDIV: 无 符 号 除 法 和 带 符 号 除 法 指 令 SEV,WFE,WFI: 发 送 事 件, 等 待 事 件 以 及 等 待 中 断 指 令 用 于 实 现 多 处 理 器 之 间 的 任 务 同 步, 还 可 以 进 入 不 同 的 休 眠 模 式 MSR,MRS: 通 向 禁 地 访 问 特 殊 功 能 寄 存 器 因 为 CM3 专 情 于 最 新 的 Thumb-2, 旧 的 应 用 程 序 需 要 移 植 和 重 建 对 于 大 多 数 C 源 程 序, 只 需 简 单 地 重 新 编 译 就 能 重 建, 汇 编 代 码 则 可 能 需 要 大 面 积 地 修 改 和 重 写, 才 能 使 用 CM3 的 新 功 能, 并 且 融 入 CM3 新 引 入 的 统 一 汇 编 器 框 架 (unified assembler framework) 中 请 注 意 :CM3 并 不 支 持 所 有 的 Thumb-2 指 令,ARMv7-M 的 规 格 书 只 要 求 实 现 Thumb-2 的 一 个 子 集 举 例 来 说, 协 处 理 器 指 令 就 被 裁 掉 了 ( 可 以 使 用 外 部 的 数 据 处 理 引 擎 来 替 代 ) CM3 也 没 有 实 现 SIMD 指 令 集 旧 世 代 的 一 些 Thumb 指 令 不 再 需 要, 因 此 也 被 排 除 不 支 持 指 令 还 包 括 v6 中 引 入 的 SETEND 指 令 如 欲 查 出 一 个 完 整 的 指 令 列 表, 可 以 去 看 附 录 A 2.9 中 断 和 异 常 ARMv7-M 开 创 了 一 个 全 新 的 异 常 模 型,CM3 采 用 了 它 请 你 一 定 要 划 清 界 线 : 这 种 异 常 模 型 跟 传 统 ARM 处 理 器 使 用 的 完 全 是 两 码 事 新 的 异 常 模 型 使 能 了 非 常 高 效 的 异 常 处 理 它 支 持 29

30 第 2 章 =11 种 系 统 异 常 ( 保 留 了 4+1 个 档 位 ), 外 加 240 个 外 部 中 断 输 入 在 CM3 中 取 消 了 FIQ 的 概 念 (v7 前 的 ARM 都 有 这 个 FIQ, 快 中 断 请 求 ), 这 是 因 为 有 了 更 新 更 好 的 机 制 中 断 优 先 级 管 理 以 及 嵌 套 中 断 支 持, 它 们 被 纳 入 CM3 的 中 断 管 理 逻 辑 中 因 此, 支 持 嵌 套 中 断 的 系 统 就 更 容 易 实 现 FIQ CM3 的 所 有 中 断 机 制 都 由 NVIC 实 现 除 了 支 持 240 条 中 断 之 外,NVIC 还 支 持 =11 个 内 部 异 常 源, 可 以 实 现 fault 管 理 机 制 结 果,CM3 就 有 了 256 个 预 定 义 的 异 常 类 型, 如 表 2.2 所 示 表 2.2 Cortex-M3 异 常 类 型 编 号 类 型 优 先 级 简 介 0 N/A N/A 没 有 异 常 在 运 行 1 复 位 -3( 最 高 ) 复 位 2 NMI -2 不 可 屏 蔽 中 断 ( 来 自 外 部 NMI 输 入 脚 ) 3 硬 (hard) fault -1 所 有 被 除 能 的 fault, 都 将 上 访 成 硬 fault 4 MemManage fault 可 编 程 存 储 器 管 理 fault,mpu 访 问 犯 规 以 及 访 问 非 法 位 置 5 总 线 fault 可 编 程 总 线 错 误 ( 预 取 流 产 (Abort) 或 数 据 流 产 ) 6 用 法 (usage) 可 编 程 由 于 程 序 错 误 导 致 的 异 常 Fault 7-10 保 留 N/A N/A 11 SVCall 可 编 程 系 统 服 务 调 用 12 调 试 监 视 器 可 编 程 调 试 监 视 器 ( 断 点, 数 据 观 察 点, 或 者 是 外 部 调 试 请 求 13 保 留 N/A N/A 14 PendSV 可 编 程 为 系 统 设 备 而 设 的 可 悬 挂 请 求 (pendable request) 15 SysTick 可 编 程 系 统 滴 答 定 时 器 ( 也 就 是 周 期 性 溢 出 的 时 基 定 时 器 译 注 ) 16 IRQ #0 可 编 程 外 中 断 #0 17 IRQ #1 可 编 程 外 中 断 #1 255 IRQ #239 可 编 程 外 中 断 #239 30

31 第 2 章 虽 然 CM3 是 支 持 240 个 外 中 断 的, 但 具 体 使 用 了 多 少 个 是 由 芯 片 生 产 商 决 定 CM3 还 有 一 个 NMI( 不 可 屏 蔽 中 断 ) 输 入 脚 当 它 被 置 为 有 效 (assert) 时,NMI 服 务 例 程 会 无 条 件 地 执 行 2.9b 低 功 耗 与 高 能 效 ( r2p0 修 订 版 ) 为 了 使 我 们 的 产 品 功 耗 更 低, 以 及 能 源 利 用 效 率 更 高,Cortex-M3 在 设 计 时 加 入 了 很 多 针 对 性 的 功 能 首 先, 在 节 能 模 式 上, 它 提 供 了 睡 眠 模 式 和 深 度 睡 眠 模 式 芯 片 以 及 整 个 系 统 在 设 计 时 通 过 与 内 核 的 节 能 模 式 相 呼 应, 就 可 以 根 据 应 用 的 要 求, 在 空 闲 时 降 低 功 耗 第 二, 它 精 练 的 设 计 使 得 门 数 很 低, 并 且 在 工 作 状 态 下 电 路 的 活 动 更 少, 所 以 CM3 自 己 也 是 身 先 士 卒 地 以 身 作 则 了 而 且, 由 于 CM3 的 程 序 代 码 密 度 高, 程 序 容 量 也 可 以 变 得 更 少 ; 同 时, 再 加 上 它 强 大 的 性 能 减 少 了 程 序 执 行 时 间, 使 得 系 统 能 以 最 快 的 速 度 回 到 睡 眠 中, 以 削 低 对 能 源 的 用 量 综 上 所 述,Cortex-M3 的 能 效 要 高 于 大 多 的 8 位 或 16 位 单 片 机 2.10 调 试 支 持 Cortex-M3 在 内 核 水 平 上 搭 载 了 若 干 种 调 试 相 关 的 特 性 最 主 要 的 就 是 程 序 执 行 控 制, 包 括 停 机 (halting) 单 步 执 行 (stepping) 指 令 断 点 数 据 观 察 点 寄 存 器 和 存 储 器 访 问 性 能 速 写 (profiling) 以 及 各 种 跟 踪 机 制 Cortex-M3 的 调 试 系 统 基 于 ARM 最 新 的 CoreSight 架 构 不 同 于 以 往 的 ARM 处 理 器, 内 核 本 身 不 再 含 有 JTAG 接 口 取 而 代 之 的, 是 CPU 提 供 称 为 调 试 访 问 接 口 (DAP) 的 总 线 接 口 通 过 这 个 总 线 接 口, 可 以 访 问 芯 片 的 寄 存 器, 也 可 以 访 问 系 统 存 储 器, 甚 至 是 在 内 核 运 行 的 时 候 访 问! 对 此 总 线 接 口 的 使 用, 是 由 一 个 调 试 端 口 (DP) 设 备 完 成 的 DPs 不 属 于 CM3 内 核, 但 它 们 是 在 芯 片 的 内 部 实 现 的 目 前 可 用 的 DPs 包 括 SWJ-DP( 既 支 持 传 统 的 JTAG 调 试, 也 支 持 新 的 串 行 线 调 试 协 议 ), 另 一 个 SW-DP 则 去 掉 了 对 JTAG 的 支 持 另 外, 也 可 以 使 用 ARM CoreSignt 产 品 家 族 的 JTAG-DP 模 块 这 下 就 有 3 个 DPs 可 以 选 了, 芯 片 制 造 商 可 以 从 中 选 择 一 个, 以 提 供 具 体 的 调 试 接 口 ( 通 常 都 是 选 SWJ-DP) 此 外,CM3 还 能 挂 载 一 个 所 谓 的 嵌 入 式 跟 踪 宏 单 元 (ETM) ETM 可 以 不 断 地 发 出 跟 踪 信 息, 这 些 信 息 通 过 一 个 被 称 为 跟 踪 端 口 接 口 单 元 (TPIU) 的 模 块 而 送 到 内 核 的 外 部, 再 在 芯 片 外 面 使 用 一 个 跟 踪 信 息 分 析 仪, 就 可 以 把 TIPU 输 出 的 已 执 行 指 令 信 息 捕 捉 到, 并 且 送 给 调 试 主 机 也 就 是 PC 在 Cortex-M3 中, 调 试 动 作 能 由 一 系 列 的 事 件 触 发, 包 括 断 点, 数 据 观 察 点,fault 条 件, 或 者 是 外 部 调 试 请 求 输 入 的 信 号 当 调 试 事 件 发 生 时,Cortex-M3 可 能 会 停 机, 也 可 能 进 入 调 试 监 视 器 异 常 handler 具 体 如 何 反 应, 则 根 据 与 调 试 相 关 寄 存 器 的 配 置 与 调 试 相 关 的 还 有 其 它 的 绝 活 现 在 要 介 绍 的 是 仪 器 化 跟 踪 宏 单 元 (ITM), 它 也 有 自 己 的 办 法 把 数 据 送 往 调 试 器 通 过 把 数 据 写 到 ITM 的 寄 存 器 中, 调 试 器 能 够 通 过 跟 踪 接 口 来 收 集 这 些 数 据, 并 且 显 示 或 者 处 理 它 此 法 不 但 容 易 使 用, 而 且 比 JTAG 的 输 出 速 度 更 快 所 有 这 些 调 试 组 件 都 可 以 由 DAP 总 线 接 口 来 控 制,CM3 内 核 提 供 DAP 接 口 此 外, 运 行 中 的 程 序 也 能 控 制 它 们 所 有 的 跟 踪 信 息 都 能 通 过 TPIU 来 访 问 到 31

32 第 2 章 2.11 Cortex-M3 的 品 性 简 评 讲 了 这 么 多, 究 竟 是 拥 有 了 什 么, 使 Cortex-M3 成 为 如 此 有 突 破 性 的 新 生 代 处 理 器? Cortex-M3 到 底 在 哪 里 先 进 了? 本 节 就 给 出 一 个 小 小 的 简 评 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 先 进 的 中 断 处 理 功 能 内 建 的 嵌 套 向 量 中 断 控 制 器 支 持 多 达 240 条 外 部 中 断 输 入 向 量 化 的 中 断 功 能 剧 烈 地 缩 短 了 中 断 延 迟, 因 为 不 再 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 ( 第 8 章 有 详 述 ) 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 于 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 ) 低 功 耗 Cortex-M3 需 要 的 逻 辑 门 数 少, 所 以 先 天 就 适 合 低 功 耗 要 求 的 应 用 ( 功 率 低 于 0.19mW/MHz) 32

33 第 2 章 在 内 核 水 平 上 支 持 节 能 模 式 (SLEEPING 和 SLEEPDEEP 位 ) 通 过 使 用 等 待 中 断 指 令 (WFI) 和 等 待 事 件 指 令 (WFE), 内 核 可 以 进 入 睡 眠 模 式, 并 且 以 不 同 的 方 式 唤 醒 另 外, 模 块 的 时 钟 是 尽 可 能 地 分 开 供 应 的, 所 以 在 睡 眠 时 可 以 把 CM3 的 大 多 数 官 能 团 给 停 掉 CM3 的 设 计 是 全 静 态 的 同 步 的 可 综 合 的 任 何 低 功 耗 的 或 是 标 准 的 半 导 体 工 艺 均 可 放 心 饮 用 系 统 特 性 系 统 支 持 位 寻 址 带 操 作 (8051 位 寻 址 机 制 的 威 力 大 幅 加 强 版 ), 字 节 不 变 的 大 端 模 式, 并 且 支 持 非 对 齐 的 数 据 访 问 拥 有 先 进 的 fault 处 理 机 制, 支 持 多 种 类 型 的 异 常 和 faults, 使 故 障 诊 断 更 容 易 通 过 引 入 banked 堆 栈 指 针 机 制, 把 系 统 程 序 使 用 的 堆 栈 和 用 户 程 序 使 用 的 堆 栈 划 清 界 线 如 果 再 配 上 可 选 的 MPU, 处 理 器 就 能 彻 底 满 足 对 软 件 健 壮 性 和 可 靠 性 有 严 格 要 求 的 应 用 调 试 支 持 在 支 持 传 统 的 JTAG 基 础 上, 还 支 持 更 新 更 好 的 串 行 线 调 试 接 口 基 于 CoreSight 调 试 解 决 方 案, 使 得 处 理 器 哪 怕 是 在 运 行 时, 也 能 访 问 处 理 器 状 态 和 存 储 器 内 容 内 建 了 对 多 达 6 个 断 点 和 4 个 数 据 观 察 点 的 支 持 可 以 选 配 一 个 ETM, 用 于 指 令 跟 踪 数 据 的 跟 踪 可 以 使 用 DWT 在 调 试 方 面 还 加 入 了 以 下 的 新 特 性, 包 括 fault 状 态 寄 存 器, 新 的 fault 异 常, 以 及 闪 存 修 补 (patch) 操 作, 使 得 调 试 大 幅 简 化 可 选 ITM 模 块, 测 试 代 码 可 以 通 过 它 输 出 调 试 信 息, 而 且 拎 包 即 可 入 住 般 地 方 便 使 用 33

34 第 2 章 34

35 第 3 章 第 3 章 Cortex-M3 基 础 寄 存 器 组 特 殊 功 能 寄 存 器 组 操 作 模 式 异 常 和 中 断 向 量 表 存 储 器 保 护 单 元 堆 栈 区 的 操 作 复 位 序 列 3.1 寄 存 器 组 如 我 们 所 见,CM3 拥 有 通 用 寄 存 器 R0-R15 以 及 一 些 特 殊 功 能 寄 存 器 R0-R12 是 最 通 用 目 的 的, 但 是 绝 大 多 数 的 16 位 指 令 只 能 使 用 R0-R7( 低 组 寄 存 器 ), 而 32 位 的 Thumb-2 指 令 则 可 以 访 问 所 有 通 用 寄 存 器 特 殊 功 能 寄 存 器 有 预 定 义 的 功 能, 而 且 必 须 通 过 专 用 的 指 令 来 访 问 通 用 目 的 寄 存 器 R0-R7 R0-R7 也 被 称 为 低 组 寄 存 器 所 有 指 令 都 能 访 问 它 们 它 们 的 字 长 全 是 32 位, 复 位 后 的 初 始 值 是 不 可 预 料 的 通 用 目 的 寄 存 器 R8-R12 R8-R12 也 被 称 为 高 组 寄 存 器 这 是 因 为 只 有 很 少 的 16 位 Thumb 指 令 能 访 问 它 们,32 位 的 thumb-2 指 令 则 不 受 限 制 它 们 也 是 32 位 字 长, 且 复 位 后 的 初 始 值 是 不 可 预 料 的 35

36 第 3 章 特 殊 功 能 寄 存 器 : 堆 栈 指 针 R13 图 3.1 Cortex-M3 的 寄 存 器 组 R13 是 堆 栈 指 针 在 CM3 处 理 器 内 核 中 共 有 两 个 堆 栈 指 针, 于 是 也 就 支 持 两 个 堆 栈 当 引 用 R13 ( 或 写 作 SP) 时, 引 用 到 的 是 当 前 正 在 使 用 的 那 一 个, 另 一 个 必 须 用 特 殊 的 指 令 来 访 问 (MRS,MSR 指 令 ) 这 两 个 堆 栈 指 针 分 别 是 : 主 堆 栈 指 针 (MSP), 或 写 作 SP_main 这 是 缺 省 的 堆 栈 指 针, 它 由 OS 内 核 异 常 服 务 例 程 以 及 所 有 需 要 特 权 访 问 的 应 用 程 序 代 码 来 使 用 进 程 堆 栈 指 针 (PSP), 或 写 作 SP_process 用 于 常 规 的 应 用 程 序 代 码 ( 不 处 于 异 常 服 用 例 程 中 时 ) 译 注 : 在 本 章 中, 如 无 特 殊 说 明, 异 常 与 中 断 都 是 指 当 发 生 事 件 时, 处 理 器 改 变 正 常 执 行 流, 去 响 应 该 事 件 的 情 况 只 不 过 异 常 之 于 处 理 器 是 同 步 的, 中 断 之 于 处 理 器 是 异 步 的 因 此 常 混 合 使 用 二 术 语,ISR 和 ESR 也 混 合 使 用, 请 读 者 不 必 工 于 辨 析 这 两 个 术 语 的 不 同, 在 这 里 这 不 是 重 点 要 注 意 的 是, 并 不 是 每 个 程 序 都 要 用 齐 两 个 堆 栈 指 针 才 算 圆 满 简 单 的 应 用 程 序 只 使 用 MSP 就 36

37 第 3 章 够 了 堆 栈 指 针 用 于 访 问 堆 栈, 并 且 PUSH 指 令 和 POP 指 令 默 认 使 用 SP 堆 栈 的 PUSH 与 POP 堆 栈 是 一 种 存 储 器 的 使 用 模 型 它 由 一 块 连 续 的 内 存 和 一 个 栈 顶 指 针 组 成, 用 于 实 现 后 进 先 出 的 缓 冲 区 其 最 典 型 的 应 用, 就 是 在 数 据 处 理 前 先 保 存 寄 存 器 的 值, 再 在 处 理 任 务 完 成 后 从 中 恢 复 先 前 保 护 的 这 些 值 图 1.2 堆 栈 内 存 的 基 本 概 念 在 执 行 PUSH 和 POP 操 作 时, 那 个 通 常 被 称 为 SP 的 地 址 寄 存 器, 会 由 硬 件 自 动 调 整 它 的 值, 以 避 免 后 续 操 作 破 坏 先 前 的 数 据 本 书 的 后 续 章 节 还 要 围 绕 着 堆 栈 展 开 更 详 细 的 论 述 演 示 在 Cortex-M3 中, 有 专 门 的 指 令 负 责 堆 栈 操 作 PUSH 和 POP 它 俩 的 汇 编 语 言 语 法 如 下 例 所 PUSH {R0} ; *(--R13)=R0 R13 是 long* 的 指 针 POP {R0} ; R0= *R13++ 请 注 意 后 面 C 程 序 风 格 的 注 释, 它 诠 释 了 所 谓 的 向 下 生 长 的 满 栈 ( 本 章 后 面 在 讲 到 堆 栈 内 存 操 作 时 还 要 展 开 论 述 ),Cortex-M3 就 是 以 这 种 方 式 使 用 堆 栈 的 因 此, 在 PUSH 新 数 据 时, 堆 栈 指 针 先 减 一 个 单 元 通 常 在 进 入 一 个 子 程 序 后, 第 一 件 事 就 是 把 寄 存 器 的 值 先 PUSH 入 堆 栈 中, 在 子 程 序 退 出 前 再 POP 曾 经 PUSH 的 那 些 寄 存 器 另 外,PUSH 和 POP 还 能 一 次 操 作 多 个 寄 存 器, 如 下 所 示 : subroutine_1 PUSH {R0-R7, R12, R14} ; 保 存 寄 存 器 列 表 POP {R0-R7, R12, R14} BX R14 ; 执 行 处 理 ; 恢 复 寄 存 器 列 表 ; 返 回 到 主 调 函 数 在 程 序 中 为 了 突 出 重 点, 可 以 一 直 把 R13 写 作 SP 在 程 序 代 码 中,both MSP 和 PSP 都 被 称 为 R13/SP 不 过, 我 们 可 以 通 过 MRS/MSR 指 令 来 指 名 道 姓 地 访 问 具 体 的 堆 栈 指 针 MSP, 亦 写 作 SP_main, 这 是 复 位 后 缺 省 使 用 堆 栈 指 针, 服 务 于 操 作 系 统 内 核 和 异 常 服 务 例 程 ; 而 PSP, 亦 写 作 SP_process, 典 型 地 用 于 普 通 的 用 户 线 程 中 37

38 第 3 章 寄 存 器 的 PUSH 和 POP 操 作 永 远 都 是 4 字 节 对 齐 的 也 就 是 说 他 们 的 地 址 必 须 是 0x4,0x8,0xc, 事 实 上,R13 的 最 低 两 位 被 硬 线 连 接 到 0, 并 且 总 是 读 出 0(Read As Zero) 连 接 寄 存 器 R14 R14 是 连 接 寄 存 器 (LR) 在 一 个 汇 编 程 序 中, 你 可 以 把 它 写 作 both LR 和 R14 LR 用 于 在 调 用 子 程 序 时 存 储 返 回 地 址 例 如, 当 你 在 使 用 BL( 分 支 并 连 接,Branch and Link) 指 令 时, 就 自 动 填 充 LR 的 值 main ; 主 程 序 BL function1 ; 使 用 分 支 并 连 接 指 令 呼 叫 function1 ; PC= function1, 并 且 LR=main 的 下 一 条 指 令 地 址 Function1 BX LR ; function1 的 代 码 ; 函 数 返 回 ( 如 果 function1 要 使 用 LR, 必 须 在 使 用 前 PUSH, ; 否 则 返 回 时 程 序 就 可 能 跑 飞 了 译 注 ) 尽 管 PC 的 LSB 总 是 0( 因 为 代 码 至 少 是 字 对 齐 的 ),LR 的 LSB 却 是 可 读 可 写 的 这 是 历 史 遗 留 的 产 物 在 以 前, 由 位 0 来 指 示 ARM/Thumb 状 态 因 为 其 它 有 些 ARM 处 理 器 支 持 ARM 和 Thumb 状 态 并 存, 为 了 方 便 汇 编 程 序 移 植,CM3 需 要 允 许 LSB 可 读 可 写 程 序 计 数 器 R15 R15 是 程 序 计 数 器, 在 汇 编 代 码 中 一 般 我 们 都 都 叫 它 的 外 号 PC 因 为 流 水 线, 读 PC 时 返 回 的 值 是 当 前 指 令 的 地 址 +4 比 如 说 : CM3 内 部 使 用 了 指 令 0x1000: MOV R0, PC ; R0 = 0x1004 如 果 向 PC 中 写 数 据, 就 会 引 起 一 次 程 序 的 分 支 ( 但 是 不 更 新 LR 寄 存 器 ) CM3 中 的 指 令 至 少 是 半 字 对 齐 的, 所 以 PC 的 LSB 总 是 读 回 0 然 而, 在 分 支 时, 无 论 是 直 接 写 PC 的 值 还 是 使 用 分 支 指 令, 都 必 须 保 证 加 载 到 PC 的 数 值 是 奇 数 ( 即 LSB=1), 用 以 表 明 这 是 在 Thumb 状 态 下 执 行 倘 若 写 了 0, 则 视 为 企 图 转 入 ARM 模 式,CM3 将 产 生 一 个 fault 异 常 3.2 特 殊 功 能 寄 存 器 组 Cortex-M3 中 的 特 殊 功 能 寄 存 器 包 括 : 程 序 状 态 寄 存 器 组 (PSRs 或 曰 xpsr) 中 断 屏 蔽 寄 存 器 组 (PRIMASK, FAULTMASK, 以 及 BASEPRI) 控 制 寄 存 器 (CONTROL) 它 们 只 能 被 专 用 的 MSR/MRS 指 令 访 问, 而 且 它 们 也 没 有 与 之 相 关 联 的 访 问 地 址 MRS <gp_reg>, <special_reg> ; 读 特 殊 功 能 寄 存 器 的 值 到 通 用 寄 存 器 38

39 第 3 章 MSR <special_reg>, <gp_reg> ; 写 通 用 寄 存 器 的 值 到 特 殊 功 能 寄 存 器 程 序 状 态 寄 存 器 (PSRs 或 曰 PSR) 程 序 状 态 寄 存 器 在 其 内 部 又 被 分 为 三 个 子 状 态 寄 存 器 : 应 用 程 序 PSR(APSR) 中 断 号 PSR(IPSR) 执 行 PSR(EPSR) 通 过 MRS/MSR 指 令, 这 3 个 PSRs 即 可 以 单 独 访 问, 也 可 以 组 合 访 问 (2 个 组 合,3 个 组 合 都 可 以 ) 当 使 用 三 合 一 的 方 式 访 问 时, 应 使 用 名 字 xpsr 或 者 PSR 图 3.3 Cortex-M3 中 的 程 序 状 态 寄 存 器 (xpsr) 图 3.4 合 体 后 的 程 序 状 态 寄 存 器 (xpsr) PRIMASK, FAULTMASK 和 BASEPRI 这 三 个 寄 存 器 用 于 控 制 异 常 的 使 能 和 除 能 表 3.2 Cortex-M3 的 屏 蔽 寄 存 器 组 名 字 功 能 描 述 PRIMASK 这 是 个 只 有 单 一 比 特 的 寄 存 器 在 它 被 置 1 后, 就 关 掉 所 有 可 屏 蔽 的 异 常, 只 剩 下 NMI 和 硬 fault 可 以 响 应 它 的 缺 省 值 是 0, 表 示 没 有 关 中 断 FAULTMASK 这 是 个 只 有 1 个 位 的 寄 存 器 当 它 置 1 时, 只 有 NMI 才 能 响 应, 所 有 其 它 的 异 常, 甚 至 是 硬 fault, 也 通 通 闭 嘴 它 的 缺 省 值 也 是 0, 表 示 没 有 关 异 常 BASEPRI 这 个 寄 存 器 最 多 有 9 位 ( 由 表 达 优 先 级 的 位 数 决 定 ) 它 定 义 了 被 屏 蔽 优 先 级 的 阈 值 当 它 被 设 成 某 个 值 后, 所 有 优 先 级 号 大 于 等 于 此 值 的 中 断 都 被 关 ( 优 先 级 号 越 大, 优 先 级 越 低 ) 但 若 被 设 成 0, 则 不 关 闭 任 何 中 断,0 也 是 缺 省 值 对 于 时 间 - 关 键 任 务 而 言, 恰 如 其 分 地 使 用 PRIMASK 和 BASEPRI 来 暂 时 关 闭 一 些 中 断 是 非 常 重 要 的 而 FAULTMASK 则 可 以 被 OS 用 于 暂 时 关 闭 fault 处 理 机 能, 这 种 处 理 在 某 个 任 务 崩 溃 时 可 能 需 要 因 为 在 任 务 崩 溃 时, 常 常 伴 随 着 一 大 堆 faults 在 系 统 料 理 后 事 时, 通 常 不 再 需 要 响 应 这 些 fault 人 死 帐 清 总 之 FAULTMASK 就 是 专 门 留 给 OS 用 的 要 访 问 PRIMASK, FAULTMASK 以 及 BASEPRI, 同 样 要 使 用 MRS/MSR 指 令, 如 : 39

40 第 3 章 MRS R0, BASEPRI ; 读 取 BASEPRI 到 R0 中 MRS R0, FAULTMASK ; 似 上 MRS R0, PRIMASK ; 似 上 MSR BASEPRI, R0 ; 写 入 R0 到 BASEPRI 中 MSR FAULTMASK, R0 ; 似 上 MSR PRIMASK, R0 ; 似 上 只 有 在 特 权 级 下, 才 允 许 访 问 这 3 个 寄 存 器 译 者 添 加 : 其 实, 为 了 快 速 地 开 关 中 断,CM3 还 专 门 设 置 了 一 条 CPS 指 令, 有 4 种 用 法 CPSID I ;PRIMASK=1, ; 关 中 断 CPSIE I ;PRIMASK=0, ; 开 中 断 CPSID F ;FAULTMASK=1, ; 关 异 常 CPSIE F ;FAULTMASK=0 ; 开 异 常 控 制 寄 存 器 (CONTROL) 控 制 寄 存 器 有 两 个 用 途, 其 一 用 于 定 义 特 权 级 别, 其 二 用 于 选 择 当 前 使 用 哪 个 堆 栈 指 针 由 两 个 比 特 来 行 使 这 两 个 职 能 表 3.3 Cortex-M3 的 CONTROL 寄 存 器 位 功 能 CONTROL[1] 堆 栈 指 针 选 择 0= 选 择 主 堆 栈 指 针 MSP( 复 位 后 的 缺 省 值 ) 1= 选 择 进 程 堆 栈 指 针 PSP 在 线 程 或 基 础 级 ( 没 有 在 响 应 异 常 译 注 ), 可 以 使 用 PSP 在 handler 模 式 下, 只 允 许 使 用 MSP, 所 以 此 时 不 得 往 该 位 写 1 CONTROL[0] 0= 特 权 级 的 线 程 模 式 1= 用 户 级 的 线 程 模 式 Handler 模 式 永 远 都 是 特 权 级 的 CONTROL[1] 在 Cortex-M3 的 handler 模 式 中,CONTROL[1] 总 是 0 在 线 程 模 式 中 则 可 以 为 0 或 1 因 此, 仅 当 处 于 特 权 级 的 线 程 模 式 下, 此 位 才 可 写, 其 它 场 合 下 禁 止 写 此 位 改 变 处 理 器 的 模 式 也 有 其 它 的 方 式 : 在 异 常 返 回 时, 通 过 修 改 LR 的 位 2, 也 能 实 现 模 式 切 换 这 是 LR 在 异 常 返 回 时 的 特 殊 用 法, 颠 覆 了 对 LR 的 传 统 使 用 方 式, 将 在 第 5 章 中 展 开 论 述 CONTROL[0] 仅 当 在 特 权 级 下 操 作 时 才 允 许 写 该 位 一 旦 进 入 了 用 户 级, 唯 一 返 回 特 权 级 的 途 径, 就 是 触 发 一 个 ( 软 ) 中 断, 再 由 服 务 例 程 改 写 该 位 40

41 第 3 章 CONTROL 寄 存 器 也 是 通 过 MRS 和 MSR 指 令 来 操 作 的 : MRS R0, CONTROL MSR CONTROL, R0 3.3 操 作 模 式 Cortex-M3 支 持 2 个 模 式 和 两 个 特 权 等 级 图 3.6 操 作 模 式 和 特 权 等 级 当 处 理 器 处 在 线 程 状 态 下 时, 既 可 以 使 用 特 权 级, 也 可 以 使 用 用 户 级 ; 另 一 方 面,handler 模 式 总 是 特 权 级 的 在 复 位 后, 处 理 器 进 入 线 程 模 式 + 特 权 级 在 线 程 模 式 + 用 户 级 下, 对 系 统 控 制 空 间 (SCS) 的 访 问 将 被 阻 止 该 空 间 包 含 了 配 置 寄 存 器 组 以 及 调 试 组 件 的 寄 存 器 组 除 此 之 外, 还 禁 止 使 用 MRS/MSR 访 问 刚 才 讲 到 的, 除 了 APSR 之 外 的 特 殊 功 能 寄 存 器 如 果 以 身 试 法, 则 对 于 访 问 特 殊 功 能 寄 存 器 的, 访 问 操 作 被 忽 略 ; 而 对 于 访 问 SCS 空 间 的, 将 fault 伺 候 译 注 : 原 文 的 意 思 是 越 权 访 问 一 律 产 生 fault( If a program running at the user access level tries to access SCS or special registers, a fault exception will occur) 但 译 者 使 用 Keil MDK 开 发 环 境 的 模 拟 器 和 STM32 单 片 机 作 实 验 时 却 发 现, 对 特 殊 功 能 寄 存 器 越 权 访 问 时, 仅 忽 略 访 问 操 作, 并 不 产 生 fault 另 外, 译 者 发 现, 当 使 用 模 拟 器 时, 即 使 访 问 了 SCS 中 的 地 址 ( 译 者 使 用 的 地 址 是 0xE000E100), 模 拟 器 竟 然 也 允 许 读 写! 后 来 译 者 又 使 用 STM32 单 片 机 来 实 验,STM32 单 片 机 则 的 确 产 生 了 总 线 fault 并 上 访 成 了 硬 fault 因 此, 如 果 使 用 指 令 模 拟 器, 则 要 小 心 附 : 译 者 使 用 的 MDK 版 本 号 是 3.20 在 特 权 级 下 的 代 码 可 以 通 过 置 位 CONTROL[0] 来 进 入 用 户 级 而 不 管 是 任 何 原 因 产 生 了 任 何 异 常, 处 理 器 都 将 以 特 权 级 来 运 行 其 服 务 例 程, 异 常 返 回 后, 系 统 将 回 到 产 生 异 常 时 所 处 的 级 别 用 户 级 下 的 代 码 不 能 再 试 图 修 改 CONTROL[0] 来 回 到 特 权 级 它 必 须 通 过 一 个 异 常 handler, 由 那 个 异 常 handler 来 修 改 CONTROL[0], 才 能 在 返 回 到 线 程 模 式 后 拿 到 特 权 级 图 3.7 特 权 级 和 处 理 器 模 式 转 换 图 把 代 码 按 特 权 级 和 用 户 极 分 开 对 待, 有 利 于 使 CM3 的 架 构 更 加 安 全 和 健 壮 例 如, 当 某 个 用 户 程 序 代 码 出 问 题 时, 不 会 让 它 成 为 害 群 之 马, 因 为 用 户 级 的 代 码 是 禁 止 写 特 殊 功 能 寄 存 器 和 NVIC 中 寄 存 器 的 另 外, 如 果 还 配 有 MPU, 保 护 力 度 就 更 大, 甚 至 可 以 阻 止 用 户 代 码 访 问 不 属 于 它 的 内 41