2022年12月16日 | ARM Cortex-M7处理器体系结构简介

本文以ST公司的STM32F7为实例来介绍M7体系结构，主要涉及M7存储器模型以及缓冲机制、编程模型、异常模型、处理器两大工作模式以及特权级，对于核心寄存器、内核外设SysTick、MPU、FPU以及系统控制块SCB仅做简单介绍。适用于对MCU+RTOS感兴趣的读者；

参考手册：

• STM32F7 Series Cortex®-M7 processor programming manual

• ARM Cortex-M7 Processor Technical Reference Manual

• ARM Cortex-M7 Devices Generic User Guide

一、指令集类型简单介绍：

在计算机处理器发展史上形成了CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）两大指令集阵营；CISC以x86体系结构为主，它拥有复杂且庞大的运算和控制指令，可以为桌面计算机和服务器提供强悍的计算能力；RISC主要以ARM体系结构为主，它克服了x86指令集中的二八原则，复杂指令分解为基本指令来处理；由于ARM指令集宽度一致，它可以采用超长流水线技术提升执行速度；由于ARM指令集规模较小，电路规模自然没有x86庞大，因此具备低功耗特点；ARM体系结构还有很多不同于x86的特点，例如存储加载型访问，采用大量寄存器；本文所述M7也是采用了RISC技术；

二、存储器模型以及缓存机制：

存储器地址映射示意图

在M7上，将代码区，数据区，外设区，FSMC区和内核区统一组织在4GB的线性地址空间中。CPU只能通过LDR，STR等存储加载指令访问存储器，可以采用字节访问，半字访问和字访问三种访问类型；采用小端模式，即低字节存储在低地址；

指令缓存，数据缓存

CPU和存储器之间有4KB指令缓存和4KB数据缓存，缓存可以加速CPU对存储区的访问；在某些场合开发者需要注意缓存和存储区一致性问题，例如如果开发者使能了缓存，然后将某一个代码区扇区擦除（未存储代码），则此时已经擦除扇区数据和已经缓存数据便不一致，导致出错；

三、编程模型：

在CPU执行程序过程中，可以分为Thread模式和Handler模式；在Thread模式下执行应用代码，属于处理器正常工作过程；在Handler模式下执行异常代码，例如不可屏蔽异常服务程序，硬件错误异常服务程序等；

特权级：程序有特权级和非特权级之分；特权级程序运行在特权级别上，可以访问系统所有资源，非特权级程序运行在非特权级别上，它的访问有限制，例如不能访问系统内核寄存器；Handler模式运行在特权级别上，Thread模式可以运行在特权或者非特权级上；

堆栈指针：它有主堆栈指针MSP和线程堆栈指针PSP之分，Handler模式下只能使用MSP，Thread模式可以使用MSP或者PSP；

模式，特权级别和堆栈指针

核心寄存器：

M7包含R0~R12，SP（MSP,PSP），LR，PC，APSR，IPSR，EPSR，PRIMASK，FAULTMASK，BASEPRI和CONTROL；

R0~R12作为通用寄存器用于数据处理；

SP（R13）用于存放栈地址，它有MSP和PSP之分，具体使用取决于CONTROL.bit1；在Handler模式下强制CONTROL.bit1为0，即使用MSP；

LR（R14）用于存放子程序返回，异常返回数据，例如模式，堆栈，FPU使用等；

PC（R15）用于存放当前指令地址；

PSR程序状态寄存器包含APSR应用程序状态寄存器，IPSR中断程序状态寄存器，EPSR异常程序状态寄存器；APSR记录程序计算状态条件，IPSR用来记录当前中断服务程序的异常类型编号，EPSR用于THUMB状态位，IT位，ICT位等；

PRIMASK：用于屏蔽可配置的优先级；

FAULTMASK：用于屏蔽除了NMI以外的所有可配置的优先级

BASEPRI：屏蔽所有数值上不小于它的优先级；

CONTROL：用于设置特权级，选择堆栈指针以及FPU上下文切换；

四、异常模型：

M7异常向量表，包含异常编号，中断请求编号，存储器分布

M7处理器一共有255个异常，异常编号为1~255；其中1~15属于内核异常，大于15属于外设中断；在程序开发中，使用-14~-1表示内核中断（异常）请求编号，大于-1表示外设中断请求编号；

异常分为非活跃且非挂起状态，挂起状态，活跃状态，活跃且挂起状态；

M7每个异常有一个8位寄存器表示其优先级，即支持0~255优先级，但是在STM32F7内部只是实现其高4位，即支持0~15优先级；通过配置优先级分组后，高优先级可以抢占低优先级异常；

异常处理是保存现场和恢复现

保存现场：考虑一种简单的情况，异常帧中没有FPU保存时，这时硬件会将xPSR, PC, LR, R12, R3, R2, R1, R0全部保存在SP指向的栈区，在RTOS中R4~R11由程序员入栈；

执行中断服务程序：用于处理外部事件；

恢复现场：采用以下其中一条指令进行返回：

1. An LDM or POP instruction that loads the PC.

2. An LDR instruction with PC as the destination.

3. A BX instruction using any register.

异常返回LR定义

例如采用BX LR返回，执行指令后处理器根据LR最低5bit获取返回模式，堆栈指针使用以及FPU使用等；然后硬件将R0, R1, R2, R3, R12, LR, PC, xPSR出栈，在RTOS中R4~R11由程序员出栈，并且开始执行被中断程序的下一条指令；为了降低中断延时，M7还采用了咬尾中断，晚到中断等机制；

五、SCB：系统控制块

系统控制块

系统控制块主要实现系统状态和系统控制功能，例如1~15号异常控制，优先级分组配置，重定位中断表位置等；

六、NVIC：嵌套向量中断控制器

主要用来管理IRQ0~IRQ239外设中断请求，并且CMSIS提供了一套函数用来访问NVIC寄存器；

七、SysTick：系统滴答定时器

SysTick操作函数接口

SysTick旨意提供MCU软件重用，用户在更换以M7为内核的其他MCU尤其在支持RTOS时，在移植内核时，可以不加修改地直接使用。

八、MPU：存储器保护单元

存储器保护单元寄存器

MPU将存储器空间划分为若干分区，定义每个分区的位置、大小、访问权限和属性等。

九、FPU：浮点数处理单元

浮点处理单元寄存器

FPU支持单精度和双精度加、减、乘、除、乘加以及平方根运算；支持定点数和浮点数之间的格式转换以及浮点常量指令；支持IEEE754标准；

十、总线访问控制

指令数据紧密耦合存储器控制

AHB主总线控制

AHB从总线控制

缓存控制

总线错误状态

十一、总结

内核寄存器映射和访问函数由CMSIS统一提供，提高了软件在以M7为内核的微控制器上的复用。使开发者在不同芯片厂商之间快速开发切换提供了可能。以上是对M7体系结构的简介，详介请参考手册；