經(jīng)過(guò)前一期的芝識(shí)課堂，我們了解了東芝MCU產(chǎn)品所基于Arm Cortex-M3內(nèi)核的基本結(jié)構(gòu)和寄存器分配的細(xì)節(jié)。大家一定迫不及待地想知道Arm Cortex-M3內(nèi)核的操作模式又有哪些技巧吧？今天芝子就帶大家詳細(xì)學(xué)習(xí)一下吧！

Arm Cortex-M3有兩個(gè)特權(quán)（特權(quán)／非特權(quán)）和兩種操作模式（線程／處理者）。對(duì)于嵌入式使用，可以選擇只有特權(quán)級(jí)別的基本配置或在特權(quán)和非特權(quán)之間切換的配置。在特權(quán)／非特權(quán)級(jí)別下，通過(guò)在分配給寄存器R13的主棧指針（MSP）與進(jìn)程棧指針（PSP）之間切換，堆棧區(qū)域可由操作系統(tǒng)內(nèi)核以及用戶例程等處理功能分離和管理。

如果發(fā)生異常／中斷的程序，控制寄存器的狀態(tài)以及堆棧指針的切換情況是怎么樣的呢？如圖1所示，當(dāng)發(fā)生異常／中斷時(shí)，使用中的堆棧會(huì)隨控制寄存器CONTROL的狀態(tài)而改變。以顯示主棧指針（MSP）和進(jìn)程棧指針（PSP）之間的切換狀態(tài)。

圖1 發(fā)生異常／中斷的程序時(shí)控制寄存器的狀態(tài)

以及堆棧指針的切換

Arm Cortex-M3內(nèi)核的所有異常都在特權(quán)模式下運(yùn)行，且具有中斷特權(quán)并支持嵌套中斷，所有異常都集成在NVIC寄存器中。值得注意的是，因每個(gè)設(shè)備而異，部分設(shè)備中斷過(guò)程支持外部中斷。異常可通過(guò)復(fù)位、中斷、故障和系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行。異常類型和特權(quán)級(jí)別如圖2所示。

圖2 異常類型和特權(quán)級(jí)別

對(duì)于集成異常的NVIC控制寄存器，當(dāng)發(fā)生異常和中斷操作時(shí)，它作為從主內(nèi)核到存儲(chǔ)器的設(shè)備被訪問(wèn)，用于控制各中斷使能的設(shè)置與清除、控制各中斷請(qǐng)求的設(shè)置與清除（釋放保留）以及控制中斷的優(yōu)先級(jí)。

下面我們?cè)賻Т蠹伊私釴VIC塊的基本功能之一——外部中斷處理控制，將使能位和掛起位分配給每個(gè)外部中斷信號(hào)，并配置控制寄存器。控制寄存器分為僅設(shè)置寄存器和僅清除寄存器。外部中斷的產(chǎn)生通過(guò)優(yōu)先級(jí)寄存器的信息來(lái)控制。該寄存器用于設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)以及使能位和掛起位的狀態(tài)，如圖3。Arm Cortex-M3通過(guò)NVIC控制實(shí)現(xiàn)高速入棧／出棧處理，此外，如果中斷處理過(guò)程中同時(shí)發(fā)生中斷請(qǐng)求或發(fā)生高優(yōu)先級(jí)的中斷請(qǐng)求，則入棧／出棧處理的寄存器自動(dòng)保存將被忽略，從而改善處理時(shí)間。

圖3

介紹完異常和中斷操作，我們?cè)賮?lái)看看Arm Cortex-M3規(guī)格的存儲(chǔ)器映射。圖4是Arm Cortex-M3規(guī)格的存儲(chǔ)器映射示意圖，可以清楚看到每個(gè)存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)功能。圖5則展示了這款MCU的存儲(chǔ)器映射細(xì)節(jié)，從中可以看到相比于Arm Cortex-M3標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，該芯片的部分存儲(chǔ)器映射進(jìn)行了深度優(yōu)化。

圖4

圖5

在CPU接收到外部中斷／異常時(shí)，它會(huì)先查詢向量表，以查找到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序地址。向量表是指中斷服務(wù)程序入口地址的偏移量與段基址，一個(gè)中斷向量占據(jù)4字節(jié)空間。各種異常的處理者（處理例程）的起始地址是分別設(shè)置的。當(dāng)異常或中斷事件發(fā)生時(shí)，從地址開始獲取異常處理者。各種異常的向量表如圖6所示。

圖6

此外，關(guān)于位帶和位帶別名區(qū)的詳細(xì)信息如圖7所示。存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)通過(guò)1位單元進(jìn)行有效運(yùn)算。1位單元通過(guò)將位帶區(qū)的數(shù)據(jù)加載或存儲(chǔ)到位帶別名區(qū)來(lái)訪問(wèn)這些數(shù)據(jù)。

那么位帶區(qū)數(shù)據(jù)和位帶別名區(qū)的地址如何分配？位帶別名區(qū)的地址以字為單位進(jìn)行分配（1個(gè)字＝32位）：位帶別名區(qū)的字地址bit0訪問(wèn)位帶區(qū)的每個(gè)位；位帶別名區(qū)的字地址的分配方式為，每個(gè)地址分配給位帶區(qū)的每個(gè)位。

圖7

今天的芝識(shí)課堂，我們深入探討了Arm Cortex-M3內(nèi)核的操作模式，并分析了存儲(chǔ)器映射的具體細(xì)節(jié)。接下來(lái)我們會(huì)一起進(jìn)入東芝MCU產(chǎn)品的外圍電路部分，學(xué)習(xí)如何針對(duì)不同應(yīng)用增加各種功能單元，從而助力低功耗高性能解決方案開發(fā)的，敬請(qǐng)期待！




審核編輯：劉清