ARM Cortex-M3/M4初学习（未完待续）
ARM Cortex-M3/M4初学习
0. 架构与核心特性
0.1 指令集架构
- 基于ARMv7-M架构，支持Thumb-2指令集(混合16/32位指令集)
- 基于哈佛架构，数据和指令分布存储在独立的空间中
0.2 流水线
- 三级流水线: 取值(Fetch) - 译码(Decode) - 执行(Execute)
- 这种结构在简化设计和降低功耗的同时，仍然能够提供足够的处理能力。
0.3 总线结构
- I-bus（Instruction Bus，指令总线）:
用于从代码存储器（如 Flash 或 ROM）中读取指令。
- D-bus（Data Bus，数据总线）:
用于从内存（如 SRAM）或外设寄存器中读写数据。
- S-bus（System Bus，系统总线）:
用于访问 内存映射的外设、系统控制块（SCB） 和 调试接口。
- DMA：(不一定存在)stm32f1,f4系列均有，一般每个DMA有8个 stream 流，其中f4系列的DMA具有FIFO
1. 寄存器组
| 寄存器 | 说明 | 分组 |
|---|---|---|
| R0 | 通用寄存器 | Low Registers |
| R1 | 通用寄存器 | Low Registers |
| R2 | 通用寄存器 | Low Registers |
| R3 | 通用寄存器 | Low Registers |
| R4 | 通用寄存器 | Low Registers |
| R5 | 通用寄存器 | Low Registers |
| R6 | 通用寄存器 | Low Registers |
| R7 | 通用寄存器 | Low Registers |
| R8 | 通用寄存器 | High Registers |
| R9 | 通用寄存器 | High Registers |
| R10 | 通用寄存器 | High Registers |
| R11 | 通用寄存器 | High Registers |
| R12 | 通用寄存器 | High Registers |
| R13 | 主堆栈指针 (MSP) ，R13 (PSP) 为进程堆栈指针 (PSP) | - |
| R14 | 连接寄存器 (LR) | - |
| R15 | 程序计数器 (PC) | - |
1.1 通用寄存器：R0-R12(共13个)
- 低组寄存器(Low Registers):
R0-R7 为低组寄存器，所有指令都可以访问(共8个)
- 高组寄存器(High Registers):
R8-R12为高组寄存器，只有32位Thumb指令和很少的16位Thumb指令能访问(共5个)
1.2 堆栈指针：SP(R13)
cm3/cm4内核有两个SP，分别是MSP(主堆栈指针)和PSP(进程堆栈指针)，共用寄存器地址
-
主 堆栈指针(MSP)：
-
用于 特权模式（Handler Mode） 和 异常 / 中断处理。
-
由硬件自动切换，例如进入中断服务程序（ISR）时，处理器强制使用 MSP。
-
裸机默认只使用MSP
-
进程堆栈指针(PSP)：
- 用于 用户模式（Thread Mode），通常运行应用程序或用户任务。
- 需手动配置，适用于多任务系统中不同任务的堆栈隔离。
- 常用于RTOS中
-
示例：FreeRTOS中是怎么使用MSP和PSP的
场景 使用的堆栈指针 说明 系统启动 MSP 默认模式，初始化阶段使用 用户任务运行 PSP 每个任务独立堆栈，由调度器管理 中断 / 异常处理 MSP 保证内核稳定性，隔离任务堆栈 任务切换（PendSV） PSP → MSP → PSP 保存旧任务 PSP，加载新任务 PSP 特权 API 调用 PSP（短暂切换） 通过 SVC 或直接寄存器操作
1.3 链接寄存器：LR
- 连接调用子程序(中断or异常or函数)时存储的返回地址
- 可以用于栈回溯调试
1.4 程序计数器：PC
- 指向当前程序运行的指令的地址
1.5 程序状态寄存器：xPSR
等我有时间学一下😁
2. 寄存器用途
- R0 到 R3：前4个函数参数使用R0-R4传参，超出部分通过堆栈传递
- R4 到 R11：局部变量，保存上下文，被调用者保存的寄存器。
- R12：临时寄存器，调用者保存的寄存器。
- SP：栈指针。
- LR：链接寄存器，用于保存返回地址。
- PC：程序计数器。
3. 堆栈
这里讨论的C语言中的堆栈，不是RTOS中的堆栈
堆栈的空间均分配在RAM中，一般可以通过修改启动文件来修改栈的大小
3.1 堆
- cm3/cm4中堆向上生长
- 由程序员分配，效率低
3.2 栈
-
栈一般是函数调用中会使用，所以过度递归会导致爆栈
-
由程序自动分配，效率高
-
cm3/cm4中栈向上生长
-
栈的最大调用深度可以通过MDK生成的htm文件查看(估计值)
KEIL MDK .map文件分析(必学知识点) - 正点原子倾力打造！-OpenEdv-开源电子网
4. CM3与CM4的区别
| 特性 | Cortex-M3 | Cortex-M4 |
|---|---|---|
| 指令集 | Thumb-2（支持部分 16/32 位指令） | Thumb-2 + DSP 扩展指令集 |
| 浮点单元（FPU） | 不支持 | 可选单精度 FPU（IEEE 754） |
| DSP 指令 | 无 | 支持乘加（MAC）、SIMD、饱和运算 |
| 硬件除法器 | 支持（32 位除法的周期数更多） | 优化除法周期（部分型号） |
5. 什么是哈佛架构？
- 定义：将程序指令和数据存储在两个独立的内存中的体系结构。
- 特点：
- 分离存储器：指令和数据各自有独立的存储空间。
- 独立总线：使用分开的总线分别传输指令和数据，允许同时访问指令和数据(并行)。
- 提高性能：通过并行访问指令和数据，增强系统的处理速度。
- 硬件复杂：需要两个独立的存储器和总线，硬件复杂性较高
浙公网安备 33010602011771号