Cortex-M4处理器

计算机原理思维导图笔记，关于Cortex-M4处理器部分的内容，作为复习和预习使用。

Cortex-M4处理器

• Cortex-M4处理器编程模型
  • Cortex-M4处理器工作状态和模式
    • 两种处理器工作状态
      • 调试状态
      • Thumb状态
    • 处理器工作模式
      • 线程模式（Thread Mode）特权用户均有
      • 处理模式（Handler Mode）仅特权级
    • 权限
      • 用户级
      • 特权级
• 寄存器
  • 通用寄存器(R0-R12)
    • R0~R7 (低寄存器): 可以被大多数 16-bit Thumb 指令和所有 32-bit Thumb-2 指令访问。
    • 可以被所有 Thumb-2 指令和少数 16- bit Thumb访问。
  • 堆栈指针（R13）
    • 主堆栈指针(MSP)：用于处理模式
      • 初始值则需要在复位流程中从存储器的第一个字中取出
    • 进程堆栈指针(PSP)：用于线程模式
      • 初始值未定义
  • 链接寄存器LR（R13）
    • 当子程序或函数被调用时，LR用来保存返回的地址
  • 程序计数器PC (R15)
    • 指向“正在取指”的指令，是可读写的
    • 读操作返回的是当前指令地址+4；写 PC会引起程序的跳转操作。
  • 特殊功能寄存器
    • 程序状态寄存器 (PSRs)
      • 应用状态寄存器PSR (APSR)：保存当前指令运算结果的状态
        • N负数或小于标志
          • 1：负数或小于
          • 0：正数或大于
        • Z零标志
          • 1：为0
          • 0：为1
        • C进位借位
          • 1：进位或减法不借位
          • 0：不进位或借位
        • V溢出
          • 1：溢出
          • 2：不溢出
        • Q置顶饱和
          • 达到上限置1
      • 中断状态寄存器PSR (IPSR)：保存当前中断的向量号。
        • 包含当前激活的异常的中断服务寄存器ISR的编号
      • 执行状态寄存器PSR (EPSR) [ICI/IT: ICI指令/IT指令状态位；T总为1
    • 中断屏蔽寄存器
      • 中断屏蔽寄存器（ PRIMASK ）（1位）
        • 1：所有中断被屏蔽（除 NMI（不可屏蔽中断）和HardFault（硬件默认异常）异常）
        • 0：中断正常响应。只有最低位有效。
      • 异常关闭寄存器（ FaultMASK ）（1位）
        • 1：除NMI外所有异常被屏蔽
        • 0：异常能正常响应。只有最低位有效
      • BASEPRI（最多有9位）
        • 优先级号大于/等于阀值的中断被屏蔽。 （号数越大，优先级越低） 一共255个。
    • 控制寄存器 (CONTROL)2位
      • CONTROL[0]
        • 1：用户级
        • 0：特权级
        • 处理模式下只能为0
      • CONTROL[1]
        • 0：只使用MSP
        • 1：用PSP
        • 处理模式下只能为0
• 存储器组织
  • 存储器系统特性
    • 4GB，32为寻址
    • 存储器映射是预定义的
    • 支持小端和大端的存储器系统
    • 支持非对齐传输
  • 存储器映射
    • 程序代码访问(如CODE区域)
    • 数据访问(如SRAM区域)
    • 外设(如外设区域)
    • 处理器的内部控制和调试部件(如私有外设总线)
    • 各个存储段
      • Code段
        • 主要用于程序代码，也用于异常向量表
      • 片上SRAM段
        • 数据存储器。
  • 栈内存操作（堆栈）
    • 1. 临时存储寄存器(寄存器组中)中的数据。
    • 2. 用于向函数或子程序中传递参数。
    • 3. 用于存储局部变量。
    • 4. 当中断等异常产生时用于保存处理器状态和寄存器数值。
    • 分类
      • MSP
      • PSP
• 异常和中断
  • 定义
    • 异常：当内核产生复位、存取失败、遇到未定义指令时，正常执行的程序被暂 停，转到相应的处理程序执行称之为异常。每个异常对应一个异常处理程序。
    • 中断：当处理器内核的外部发生某一事件，产生触发信号，引起CPU暂停当前执行的程序，转去执行处理相应事件的程序
  • 嵌套向量中断控制器NVIC
    • 处理Cortex-M4处理器中的异常
      • 中断配置
      • 优先级
      • 中断屏蔽。
  • 异常向量表
    • 1、Cortex-M4处理器向量表中的每个元素代表一个异常类型处理程序的起始地址，每个起始地址占一个字，即4个字节。 2、向量表的存储位置是可以设置的，通过NVIC中的一个重定位寄存器来指出向量表的地址。 3、复位后，重定位寄存器的值默认为0，向量表则位于地址0x0处，用于初始时的异常分配。
• 复位和复位流程
  • 类型
    • 大类
      • 内核复位是指只复位处理器，不复位 外设寄存器。
      • 系统复位是既复位处理器，又复位外设寄存器
    • 对于cortexM4
      • 上电复位
      • 系统复位
      • 处理器复位
  • 处理
    • 从地址 0x0000 0000 处读取MSP的初始值。
    • 从地址 0x0000 0004 处读取程序计数器PC的初始值
• 11个系统异常，和最多240个外部中断 由外设产生的中断信号，除了SysTick之外，全都连接到NVIC 的中断输入信号线。
• CM4允许多个异常同时发生，并按固定的优先级进行处理