ARM Cortex-M3架构详解
1. 引言
ARM Cortex-M3 是 ARM 公司推出的一种高性能、低功耗、低成本的 32 位 RISC 微处理器架构，广泛应用于嵌入式系统中。本节将详细介绍 ARM Cortex-M3 架构的特点、内部结构、寄存器配置和中断处理机制。
2. 架构特点
2.1 32位 RISC 架构
ARM Cortex-M3 是一种基于 RISC（精简指令集计算机）架构的处理器。RISC 架构的特点是：
- 固定长度指令：每条指令的长度都是固定的，通常为 32 位。
- 简单指令集：指令集设计简单，每条指令的功能明确。
- 流水线操作：采用多级流水线，提高指令执行效率。
- 寄存器文件：大量的通用寄存器，减少内存访问次数。
2.2 高性能设计
- 单周期乘法：支持单周期乘法操作，提高计算效率。
- 硬件除法：支持硬件除法，减少软件实现的开销。
- 分支预测：支持简单的分支预测，减少分支延迟。
- Thumb-2 指令集：支持 Thumb-2 指令集，可以在 16 位和 32 位指令之间灵活切换，提高代码密度和执行效率。
2.3 低功耗设计
- 动态功耗管理：支持多种功耗管理模式，如睡眠模式和深度睡眠模式。
- 低功耗时钟源：支持多种低功耗时钟源，如低频晶振和内部 RC 振荡器。
- 功耗优化的外设：外设设计考虑功耗优化，支持独立运行和低功耗模式。
2.4 高可靠性设计
- 内存保护单元 (MPU)：支持内存保护单元，提高系统的安全性。
- 故障捕获：支持多种故障捕获机制，如总线故障、存储器管理故障和使用故障。
- 调试支持：提供丰富的调试支持，如 JTAG 和 SWD 接口。
3. 内部结构
3.1 核心组件
3.1.1 处理器核
ARM Cortex-M3 处理器核包括以下几个主要部分：
- 指令流水线：3 级流水线，包括取指、译码和执行阶段。
- 寄存器文件：32 个 32 位通用寄存器，包括 R0-R12、SP（R13）、LR（R14）和 PC（R15）。
- 状态寄存器：包括程序状态寄存器（PSR）、控制寄存器（Control Register）和中断屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register）。
3.1.2 存储器系统
- 内存映射：内存地址空间分为多个区域，每个区域有不同的访问权限和功能。
- 存储器管理单元 (MPU)：可选的存储器管理单元，用于保护内存区域。
- 高速缓存：不支持高速缓存，但支持指令预取和数据存储器加速。
3.1.3 中断系统
- 嵌套向量中断控制器 (NVIC)：管理中断优先级和嵌套中断。
- 系统异常：包括复位、NMI、硬故障、总线故障、使用故障等。
- 中断向量表：包含中断向量地址，用于快速响应中断。
3.2 流水线操作
3.2.1 取指阶段 (Fetch)
从内存中取出指令并放入指令流水线。
3.2.2 译码阶段 (Decode)
将取出的指令解码为微操作，准备执行。
3.2.3 执行阶段 (Execute)
执行解码后的微操作，完成指令的功能。
3.3 寄存器配置
3.3.1 通用寄存器
- R0-R12：通用寄存器，用于数据操作。
- R13：堆栈指针（SP），用于管理堆栈。
- R14：链接寄存器（LR），用于存储子程序返回地址。
- R15：程序计数器（PC），用于存储下一条指令的地址。
3.3.2 状态寄存器
- 程序状态寄存器 (PSR)：包含当前处理器状态信息，如标志位和模式位。
- 控制寄存器 (Control Register)：用于控制处理器的多种模式。
- 中断屏蔽寄存器 (Interrupt Mask Register)：用于控制中断的优先级和屏蔽。
3.4 存储器访问
3.4.1 内存映射
ARM Cortex-M3 的内存地址空间通常分为以下几个区域：
- 闪存：用于存储程序代码。
- SRAM：用于存储数据和堆栈。
- 外设寄存器：用于控制外设。
- 系统控制寄存器：用于系统配置和调试。
3.4.2 存储器管理单元 (MPU)
MPU 可以配置多个区域，每个区域有不同的访问权限和属性。通过 MPU，可以保护关键的内存区域，防止非法访问。
3.5 中断处理
3.5.1 嵌套向量中断控制器 (NVIC)
NVIC 是 ARM Cortex-M3 中的重要组件，用于管理和控制中断。它支持多个中断源，并可以配置中断优先级和嵌套中断。
3.5.2 中断向量表
中断向量表包含各个中断向量的地址，处理器在发生中断时会跳转到相应的中断处理程序。中断向量表通常位于闪存的起始地址。
3.5.3 系统异常
系统异常是一类特殊的中断，用于处理系统的各种异常情况，如复位、NMI、硬故障等。
4. 指令集
4.1 Thumb-2 指令集
Thumb-2 指令集是 ARM Cortex-M3 的一大特点，它结合了 16 位和 32 位指令的优势：
- 16位指令：用于提高代码密度，减少内存占用。
- 32位指令：用于提高指令执行效率，支持复杂的操作。
4.2 常用指令
4.2.1 数据处理指令
- MOV：移动数据
- ADD：加法
- SUB：减法
- AND：逻辑与
- ORR：逻辑或
- EOR：逻辑异或
- LSL：逻辑左移
- LSR：逻辑右移
4.2.2 存储器访问指令
- LDR：加载数据到寄存器
- STR：存储数据到内存
- LDM：批量加载数据到寄存器
- STM：批量存储数据到内存
4.2.3 分支指令
- B：无条件跳转
- BL：带链接的跳转
- BX：改变程序状态寄存器（PSR）的模式
- BGE：大于等于跳转
4.3 指令示例
4.3.1 数据处理指令示例
// 将寄存器 R1 的值加 1 并存储到 R2
ADD R2, R1, #1
// 将寄存器 R1 和 R2 的值进行逻辑与操作，结果存储到 R3
AND R3, R1, R2
// 将寄存器 R1 的值左移 2 位，结果存储到 R2
LSL R2, R1, #2
4.3.2 存储器访问指令示例
// 从地址 0x20000000 加载一个 32 位数据到寄存器 R0
LDR R0, [0x20000000]
// 将寄存器 R1 的值存储到地址 0x20000004
STR R1, [0x20000004]
// 从地址 0x20000008 开始批量加载 4 个 32 位数据到寄存器 R2-R5
LDM R2, R5, [0x20000008]!
// 从寄存器 R2 开始批量存储 4 个 32 位数据到地址 0x2000000C
STM R2, R5, [0x2000000C]!
4.3.3 分支指令示例
// 无条件跳转到地址 0x00000100
B 0x00000100
// 跳转到地址 0x00000200，并将返回地址存储到寄存器 LR
BL 0x00000200
// 跳转到寄存器 R1 中的地址
BX R1
// 如果寄存器 R0 大于等于寄存器 R1，跳转到 label
CMP R0, R1
BGE label
5. 中断和异常处理
5.1 中断向量表
中断向量表通常位于闪存的起始地址，包含各个中断和异常的处理程序地址。以下是一个典型的中断向量表布局：
// 中断向量表
VECTOR_TABLE:
.word _estack // 栈顶地址
.word Reset_Handler // 复位中断处理程序
.word NMI_Handler // NMI 中断处理程序
.word Hard_Fault_Handler // 硬故障处理程序
.word MemManage_Handler // 存储器管理故障处理程序
.word Bus_Fault_Handler // 总线故障处理程序
.word Usage_Fault_Handler // 使用故障处理程序
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word SVC_Handler // 服务调用处理程序
.word DebugMon_Handler // 调试监控处理程序
.word 0 // 保留
.word PendSV_Handler // 挂起服务处理程序
.word SysTick_Handler // 系统定时器处理程序
.word IRQ0_Handler // 中断 0 处理程序
.word IRQ1_Handler // 中断 1 处理程序
// 其他中断处理程序
5.2 中断处理程序
中断处理程序的编写需要遵循一定的规范，以确保中断能够正确处理。以下是一个简单的中断处理程序示例：
// 外部中断 0 处理程序
void IRQ0_Handler(void) {
// 处理中断
// 例如：读取某个 GPIO 引脚的状态
uint32_t gpio_status = LPC_GPIO0->FIOPIN;
// 根据 GPIO 状态进行相应处理
if (gpio_status & (1 << 0)) {
// 引脚 0 高电平
// 执行相应操作
} else {
// 引脚 0 低电平
// 执行相应操作
}
// 清除中断标志
LPC_GPIO0->FIOPIN = 0x00;
}
// 系统定时器中断处理程序
void SysTick_Handler(void) {
static uint32_t counter = 0;
// 增加计数器
counter++;
// 每 10 次中断，执行一次任务
if (counter >= 10) {
// 执行任务
// 例如：更新某个外设的状态
counter = 0;
}
}
5.3 系统异常处理
系统异常处理程序用于处理系统的各种异常情况。以下是一个简单的硬故障处理程序示例：
// 硬故障处理程序
void Hard_Fault_Handler(void) {
// 保存当前状态
uint32_t stacked_r0;
uint32_t stacked_r1;
uint32_t stacked_r2;
uint32_t stacked_r3;
uint32_t stacked_r12;
uint32_t stacked_lr;
uint32_t stacked_pc;
uint32_t stacked_psr;
__asm volatile (
"TST lr, #4\t\n"
"ITE EQ\t\n"
"MRSEQ r0, msp\t\n"
"MRSNE r0, psp\t\n"
"BIC r1, lr, #4\t\n"
"TST r1, #0xC\t\n"
"BNE lr_not_8_or_12\t\n"
"LDR r2, [r0, #24]\t\n" // stacked PC
"B lr_is_8_or_12\t\n"
"lr_not_8_or_12:\t\n"
"MOVS r2, lr\t\n"
"LSLS r2, r2, #30\t\n"
"LSRS r2, r2, #30\t\n"
"TST r2, #2\t\n"
"BNE in_handler\t\n"
"LDR r2, [r0, #18]\t\n" // stacked PC
"B lr_processed\t\n"
"in_handler:\t\n"
"LDR r2, [r0, #30]\t\n" // handler mode SP
"SUBS r2, r2, #4\t\n"
"LDR r2, [r2]\t\n" // stacked PC
"lr_processed:\t\n"
"LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PSR
"LDR r12, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R12
"LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
"LDR r0, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R0
"LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
"LDR r2, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R2
"LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R3
"LDR lr, [r2, #-4]!\t\n" // stacked LR
"LDR pc, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PC
);
// 打印硬故障信息
printf("Hard Fault!\n");
// 挂起系统
while (1) {
// 无限循环
}
}
6. 调试支持
6.1 JTAG 接口
JTAG（联合测试行动组）接口是一种标准的调试接口，支持边界扫描测试和调试功能。ARM Cortex-M3 支持 JTAG 接口，可以使用 JTAG 调试器进行调试。
6.2 SWD 接口
SWD（串行线调试）接口是 ARM 公司推出的一种新的调试接口，比 JTAG 接口更简单、更高效。ARM Cortex-M3 支持 SWD 接口，可以使用 SWD 调试器进行调试。
6.3 调试示例
以下是一个使用 SWD 接口进行调试的示例：
#include <stdio.h>
#include "LPC17xx.h"
int main(void) {
// 初始化 GPIO
LPC_PINCON->PINSEL0 &= ~(0x3 << 0); // 设置 P0.0 为 GPIO 功能
LPC_GPIO0->FIOSET = (1 << 0); // 设置 P0.0 为高电平
LPC_GPIO0->FIODIR = (1 << 0); // 设置 P0.0 为输出
while (1) {
// 翻转 P0.0 引脚的状态
LPC_GPIO0->FIOSET = (1 << 0);
for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++) {
// 延时
}
LPC_GPIO0->FIOCLR = (1 << 0);
for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++) {
// 延时
}
// 设置断点
__asm volatile ("bkpt #0");
}
return 0;
}
6.4 调试工具
常用的调试工具包括：
- Keil uVision：集成开发环境，支持 ARM Cortex-M3 的调试。
- CMSIS-DAP：基于 USB 的调试接口，支持 SWD 调试。
- OpenOCD：开源的调试和编程工具，支持 JTAG 和 SWD 接口。
7. 总结
ARM Cortex-M3 架构具有高性能、低功耗和高可靠性的特点，适合应用于各种嵌入式系统。本节详细介绍了 ARM Cortex-M3 的内部结构、流水线操作、寄存器配置、中断处理和调试支持，为后续的学习和开发提供了坚实的基础。
ARM Cortex-M3架构详解
1. 引言
ARM Cortex-M3 是 ARM 公司推出的一种高性能、低功耗、低成本的 32 位 RISC 微处理器架构，广泛应用于嵌入式系统中。本节将详细介绍 ARM Cortex-M3 架构的特点、内部结构、寄存器配置和中断处理机制。为了更好地理解这些内容，我们将重复一些前文的关键信息，并在此基础上继续深入探讨。
2. 架构特点
2.1 32位 RISC 架构
ARM Cortex-M3 是一种基于 RISC（精简指令集计算机）架构的处理器。RISC 架构的特点是：
- 固定长度指令：每条指令的长度都是固定的，通常为 32 位。
- 简单指令集：指令集设计简单，每条指令的功能明确。
- 流水线操作：采用多级流水线，提高指令执行效率。
- 寄存器文件：大量的通用寄存器，减少内存访问次数。
2.2 高性能设计
- 单周期乘法：支持单周期乘法操作，提高计算效率。
- 硬件除法：支持硬件除法，减少软件实现的开销。
- 分支预测：支持简单的分支预测，减少分支延迟。
- Thumb-2 指令集：支持 Thumb-2 指令集，可以在 16 位和 32 位指令之间灵活切换，提高代码密度和执行效率。
2.3 低功耗设计
- 动态功耗管理：支持多种功耗管理模式，如睡眠模式和深度睡眠模式。
- 低功耗时钟源：支持多种低功耗时钟源，如低频晶振和内部 RC 振荡器。
- 功耗优化的外设：外设设计考虑功耗优化，支持独立运行和低功耗模式。
2.4 高可靠性设计
- 内存保护单元 (MPU)：支持内存保护单元，提高系统的安全性。
- 故障捕获：支持多种故障捕获机制，如总线故障、存储器管理故障和使用故障。
- 调试支持：提供丰富的调试支持，如 JTAG 和 SWD 接口。
3. 内部结构
3.1 核心组件
3.1.1 处理器核
ARM Cortex-M3 处理器核包括以下几个主要部分：
- 指令流水线：3 级流水线，包括取指、译码和执行阶段。
- 寄存器文件：32 个 32 位通用寄存器，包括 R0-R12、SP（R13）、LR（R14）和 PC（R15）。
- 状态寄存器：包括程序状态寄存器（PSR）、控制寄存器（Control Register）和中断屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register）。
3.1.2 存储器系统
- 内存映射：内存地址空间分为多个区域，每个区域有不同的访问权限和功能。
- 存储器管理单元 (MPU)：可选的存储器管理单元，用于保护内存区域。
- 高速缓存：不支持高速缓存，但支持指令预取和数据存储器加速。
3.1.3 中断系统
- 嵌套向量中断控制器 (NVIC)：管理中断优先级和嵌套中断。
- 系统异常：包括复位、NMI、硬故障、总线故障、使用故障等。
- 中断向量表：包含中断向量地址，用于快速响应中断。
3.2 流水线操作
3.2.1 取指阶段 (Fetch)
从内存中取出指令并放入指令流水线。
3.2.2 译码阶段 (Decode)
将取出的指令解码为微操作，准备执行。
3.2.3 执行阶段 (Execute)
执行解码后的微操作，完成指令的功能。
3.3 寄存器配置
3.3.1 通用寄存器
- R0-R12：通用寄存器，用于数据操作。
- R13：堆栈指针（SP），用于管理堆栈。
- R14：链接寄存器（LR），用于存储子程序返回地址。
- R15：程序计数器（PC），用于存储下一条指令的地址。
3.3.2 状态寄存器
- 程序状态寄存器 (PSR)：包含当前处理器状态信息，如标志位和模式位。
- 控制寄存器 (Control Register)：用于控制处理器的多种模式。
- 中断屏蔽寄存器 (Interrupt Mask Register)：用于控制中断的优先级和屏蔽。
3.4 存储器访问
3.4.1 内存映射
ARM Cortex-M3 的内存地址空间通常分为以下几个区域：
- 闪存：用于存储程序代码。
- SRAM：用于存储数据和堆栈。
- 外设寄存器：用于控制外设。
- 系统控制寄存器：用于系统配置和调试。
3.4.2 存储器管理单元 (MPU)
MPU 可以配置多个区域，每个区域有不同的访问权限和属性。通过 MPU，可以保护关键的内存区域，防止非法访问。
3.5 中断处理
3.5.1 嵌套向量中断控制器 (NVIC)
NVIC 是 ARM Cortex-M3 中的重要组件，用于管理和控制中断。它支持多个中断源，并可以配置中断优先级和嵌套中断。
3.5.2 中断向量表
中断向量表通常位于闪存的起始地址，包含各个中断和异常的处理程序地址。以下是一个典型的中断向量表布局：
// 中断向量表
VECTOR_TABLE:
.word _estack // 栈顶地址
.word Reset_Handler // 复位中断处理程序
.word NMI_Handler // NMI 中断处理程序
.word Hard_Fault_Handler // 硬故障处理程序
.word MemManage_Handler // 存储器管理故障处理程序
.word Bus_Fault_Handler // 总线故障处理程序
.word Usage_Fault_Handler // 使用故障处理程序
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word SVC_Handler // 服务调用处理程序
.word DebugMon_Handler // 调试监控处理程序
.word 0 // 保留
.word PendSV_Handler // 挂起服务处理程序
.word SysTick_Handler // 系统定时器处理程序
.word IRQ0_Handler // 中断 0 处理程序
.word IRQ1_Handler // 中断 1 处理程序
// 其他中断处理程序
3.5.3 系统异常处理
系统异常处理程序用于处理系统的各种异常情况。以下是一个简单的硬故障处理程序示例：
// 硬故障处理程序
void Hard_Fault_Handler(void) {
// 保存当前状态
uint32_t stacked_r0;
uint32_t stacked_r1;
uint32_t stacked_r2;
uint32_t stacked_r3;
uint32_t stacked_r12;
uint32_t stacked_lr;
uint32_t stacked_pc;
uint32_t stacked_psr;
__asm volatile (
"TST lr, #4\t\n"
"ITE EQ\t\n"
"MRSEQ r0, msp\t\n"
"MRSNE r0, psp\t\n"
"BIC r1, lr, #4\t\n"
"TST r1, #0xC\t\n"
"BNE lr_not_8_or_12\t\n"
"LDR r2, [r0, #24]\t\n" // stacked PC
"B lr_is_8_or_12\t\n"
"lr_not_8_or_12:\t\n"
"MOVS r2, lr\t\n"
"LSLS r2, r2, #30\t\n"
"LSRS r2, r2, #30\t\n"
"TST r2, #2\t\n"
"BNE in_handler\t\n"
"LDR r2, [r0, #18]\t\n" // stacked PC
"B lr_processed\t\n"
"in_handler:\t\n"
"LDR r2, [r0, #30]\t\n" // handler mode SP
"SUBS r2, r2, #4\t\n"
"LDR r2, [r2]\t\n" // stacked PC
"lr_processed:\t\n"
"LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PSR
"LDR r12, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R12
"LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
"LDR r0, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R0
"LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
"LDR r2, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R2
"LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R3
"LDR lr, [r2, #-4]!\t\n" // stacked LR
"LDR pc, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PC
);
// 打印硬故障信息
printf("Hard Fault!\n");
// 挂起系统
while (1) {
// 无限循环
}
}
4. 指令集
4.1 Thumb-2 指令集
Thumb-2 指令集是 ARM Cortex-M3 的一大特点，它结合了 16 位和 32 位指令的优势：
- 16位指令：用于提高代码密度，减少内存占用。
- 32位指令：用于提高指令执行效率，支持复杂的操作。
4.2 常用指令
4.2.1 数据处理指令
- MOV：移动数据
- ADD：加法
- SUB：减法
- AND：逻辑与
- ORR：逻辑或
- EOR：逻辑异或
- LSL：逻辑左移
- LSR：逻辑右移
4.2.2 存储器访问指令
- LDR：加载数据到寄存器
- STR：存储数据到内存
- LDM：批量加载数据到寄存器
- STM：批量存储数据到内存
4.2.3 分支指令
- B：无条件跳转
- BL：带链接的跳转
- BX：改变程序状态寄存器（PSR）的模式
- BGE：大于等于跳转
4.3 指令示例
4.3.1 数据处理指令示例
// 将寄存器 R1 的值加 1 并存储到 R2
ADD R2, R1, #1
// 将寄存器 R1 和 R2 的值进行逻辑与操作，结果存储到 R3
AND R3, R1, R2
// 将寄存器 R1 的值左移 2 位，结果存储到 R2
LSL R2, R1, #2
4.3.2 存储器访问指令示例
// 从地址 0x20000000 加载一个 32 位数据到寄存器 R0
LDR R0, [0x20000000]
// 将寄存器 R1 的值存储到地址 0x20000004
STR R1, [0x20000004]
// 从地址 0x20000008 开始批量加载 4 个 32 位数据到寄存器 R2-R5
LDM R2, R5, [0x20000008]!
// 从寄存器 R2 开始批量存储 4 个 32 位数据到地址 0x2000000C
STM R2, R5, [0x2000000C]!
4.3.3 分支指令示例
// 无条件跳转到地址 0x00000100
B 0x00000100
// 跳转到地址 0x00000200，并将返回地址存储到寄存器 LR
BL 0x00000200
// 跳转到寄存器 R1 中的地址
BX R1
// 如果寄存器 R0 大于等于寄存器 R1，跳转到 label
CMP R0, R1
BGE label
5. 中断和异常处理
5.1 中断向量表
中断向量表通常位于闪存的起始地址，包含各个中断和异常的处理程序地址。以下是一个典型的中断向量表布局：
// 中断向量表
VECTOR_TABLE:
.word _estack // 栈顶地址
.word Reset_Handler // 复位中断处理程序
.word NMI_Handler // NMI 中断处理程序
.word Hard_Fault_Handler // 硬故障处理程序
.word MemManage_Handler // 存储器管理故障处理程序
.word Bus_Fault_Handler // 总线故障处理程序
.word Usage_Fault_Handler // 使用故障处理程序
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word 0 // 保留
.word SVC_Handler // 服务调用处理程序
.word DebugMon_Handler // 调试监控处理程序
.word 0 // 保留
.word PendSV_Handler // 挂起服务处理程序
.word SysTick_Handler // 系统定时器处理程序
.word IRQ0_Handler // 中断 0 处理程序
.word IRQ1_Handler // 中断 1 处理程序
// 其他中断处理程序
5.2 中断处理程序
中断处理程序的编写需要遵循一定的规范，以确保中断能够正确处理。以下是一个简单的中断处理程序示例：
// 外部中断 0 处理程序
void IRQ0_Handler(void) {
// 处理中断
// 例如：读取某个 GPIO 引脚的状态
uint32_t gpio_status = LPC_GPIO0->FIOPIN;
// 根据 GPIO 状态进行相应处理
if (gpio_status & (1 << 0)) {
// 引脚 0 高电平
// 执行相应操作
} else {
// 引脚 0 低电平
// 执行相应操作
}
// 清除中断标志
LPC_GPIO0->FIOPIN = 0x00;
}
// 系统定时器中断处理程序
void SysTick_Handler(void) {
static uint32_t counter = 0;
// 增加计数器
counter++;
// 每 10 次中断，执行一次任务
if (counter >= 10) {
// 执行任务
// 例如：更新某个外设的状态
counter = 0;
}
}
5.3 系统异常处理
系统异常处理程序用于处理系统的各种异常情况。以下是一个简单的硬故障处理程序示例：
// 硬故障处理程序
void Hard_Fault_Handler(void) {
// 保存当前状态
uint32_t stacked_r0;
uint32_t stacked_r1;
uint32_t stacked_r2;
uint32_t stacked_r3;
uint32_t stacked_r12;
uint32_t stacked_lr;
uint32_t stacked_pc;
uint32_t stacked_psr;
__asm volatile (
"TST lr, #4\t\n"
"ITE EQ\t\n"
"MRSEQ r0, msp\t\n"
"MRSNE r0, psp\t\n"
"BIC r1, lr, #4\t\n"
"TST r1, #0xC\t\n"
"BNE lr_not_8_or_12\t\n"
"LDR r2, [r0, #24]\t\n" // stacked PC
"B lr_is_8_or_12\t\n"
"lr_not_8_or_12:\t\n"
"MOVS r2, lr\t\n"
"LSLS r2, r2, #30\t\n"
"LSRS r2, r2, #30\t\n"
"TST r2, #2\t\n"
"BNE in_handler\t\n"
"LDR r2, [r0, #18]\t\n" // stacked PC
"B lr_processed\t\n"
"in_handler:\t\n"
"LDR r2, [r0, #30]\t\n" // handler mode SP
"SUBS r2, r2, #4\t\n"
"LDR r2, [r2]\t\n" // stacked PC
"lr_processed:\t\n"
"LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PSR
"LDR r12, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R12
"LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
"LDR r0, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R0
"LDR r1, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R1
"LDR r2, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R2
"LDR r3, [r2, #-4]!\t\n" // stacked R3
"LDR lr, [r2, #-4]!\t\n" // stacked LR
"LDR pc, [r2, #-4]!\t\n" // stacked PC
);
// 打印硬故障信息
printf("Hard Fault!\n");
// 挂起系统
while (1) {
// 无限循环
}
}
5.4 中断优先级和嵌套
ARM Cortex-M3 支持多个中断源，并且每个中断源都有一个优先级。NVIC 可以配置中断优先级，以便在多个中断同时发生时确定处理顺序。此外，ARM Cortex-M3 还支持嵌套中断，即在处理一个中断时可以被更高优先级的中断打断。
5.4.1 中断优先级配置
中断优先级可以通过 NVIC 的中断优先级寄存器（IPR）进行配置。以下是一个配置中断优先级的示例：
// 配置中断 0 的优先级为 1
NVIC_SetPriority(IRQ0_IRQn, 1);
// 配置中断 1 的优先级为 2
NVIC_SetPriority(IRQ1_IRQn, 2);
5.4.2 嵌套中断示例
// 假设中断 0 的优先级高于中断 1
// 中断 0 处理程序
void IRQ0_Handler(void) {
// 处理中断 0
// 例如：读取某个 GPIO 引脚的状态
uint32_t gpio_status = LPC_GPIO0->FIOPIN;
// 根据 GPIO 状态进行相应处理
if (gpio_status & (1 << 0)) {
// 引脚 0 高电平
// 执行相应操作
} else {
// 引脚 0 低电平
// 执行相应操作
}
// 清除中断标志
LPC_GPIO0->FIOPIN = 0x00;
}
// 中断 1 处理程序
void IRQ1_Handler(void) {
// 处理中断 1
// 例如：读取某个 ADC 的值
uint32_t adc_value = LPC_ADC->ADGDR;
// 根据 ADC 值进行相应处理
if (adc_value > 1000) {
// 执行相应操作
} else {
// 执行相应操作
}
// 清除中断标志
LPC_ADC->ADGDR = 0x00;
}
在上述示例中，如果中断 1 正在处理，中断 0 发生且优先级更高，那么中断 0 会打断中断 1 的处理，先处理中断 0。处理完中断 0 后，再继续处理中断 1。
6. 调试支持
6.1 JTAG 接口
JTAG（联合测试行动组）接口是一种标准的调试接口，支持边界扫描测试和调试功能。ARM Cortex-M3 支持 JTAG 接口，可以使用 JTAG 调试器进行调试。
6.2 SWD 接口
SWD（串行线调试）接口是 ARM 公司推出的一种新的调试接口，比 JTAG 接口更简单、更高效。ARM Cortex-M3 支持 SWD 接口，可以使用 SWD 调试器进行调试。
6.3 调试示例
以下是一个使用 SWD 接口进行调试的示例：
#include <stdio.h>
#include "LPC17xx.h"
int main(void) {
// 初始化 GPIO
LPC_PINCON->PINSEL0 &= ~(0x3 << 0); // 设置 P0.0 为 GPIO 功能
LPC_GPIO0->FIOSET = (1 << 0); // 设置 P0.0 为高电平
LPC_GPIO0->FIODIR = (1 << 0); // 设置 P0.0 为输出
while (1) {
// 翻转 P0.0 引脚的状态
LPC_GPIO0->FIOSET = (1 << 0);
for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++) {
// 延时
}
LPC_GPIO0->FIOCLR = (1 << 0);
for (volatile int i = 0; i < 1000000; i++) {
// 延时
}
// 设置断点
__asm volatile ("bkpt #0");
}
return 0;
}
6.4 调试工具
常用的调试工具包括：
- Keil uVision：集成开发环境，支持 ARM Cortex-M3 的调试。
- CMSIS-DAP：基于 USB 的调试接口，支持 SWD 调试。
- OpenOCD：开源的调试和编程工具，支持 JTAG 和 SWD 接口。
7. 总结
ARM Cortex-M3 架构具有高性能、低功耗和高可靠性的特点，适合应用于各种嵌入式系统。本节详细介绍了 ARM Cortex-M3 的内部结构、流水线操作、寄存器配置、中断处理和调试支持，为后续的学习和开发提供了坚实的基础。
7.1 内部结构回顾
ARM Cortex-M3 的内部结构包括：
- 处理器核：3 级流水线，32 个 32 位通用寄存器。
- 存储器系统：内存映射、可选的存储器管理单元（MPU）、指令预取和数据存储器加速。
- 中断系统：嵌套向量中断控制器（NVIC）、系统异常和中断向量表。
7.2 流水线操作回顾
流水线操作分为三个阶段：
- 取指阶段 (Fetch)：从内存中取出指令并放入指令流水线。
- 译码阶段 (Decode)：将取出的指令解码为微操作，准备执行。
- 执行阶段 (Execute)：执行解码后的微操作，完成指令的功能。
7.3 寄存器配置回顾
寄存器配置包括：
- 通用寄存器：R0-R12、SP（R13）、LR（R14）和 PC（R15）。
- 状态寄存器：程序状态寄存器（PSR）、控制寄存器（Control Register）和中断屏蔽寄存器（Interrupt Mask Register）。
7.4 存储器访问回顾
存储器访问包括：
- 内存映射：闪存、SRAM、外设寄存器和系统控制寄存器。
- 存储器管理单元 (MPU)：用于保护内存区域，防止非法访问。
7.5 中断处理回顾
中断处理包括：
- 中断向量表：位于闪存的起始地址，包含中断和异常的处理程序地址。
- 中断处理程序：用于处理特定的中断事件。
- 系统异常处理：用于处理系统的各种异常情况，如硬故障、总线故障等。
7.6 调试支持回顾
调试支持包括：
- JTAG 接口：标准的调试接口，支持边界扫描测试和调试。
- SWD 接口：比 JTAG 更简单、更高效的调试接口。
- 调试工具：Keil uVision、CMSIS-DAP 和 OpenOCD 等。
通过以上内容，我们对 ARM Cortex-M3 架构有了全面的了解。希望这些信息能够帮助你在嵌入式系统开发中更好地利用 ARM Cortex-M3 的优势。