MCU内核-第二章 Cortex-M内核介绍

发布网友发布时间：2024-10-02 22:13

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热心网友时间：2024-10-19 04:13

在STM32微控制器的世界里，STM32系列芯片以其强大的性能和丰富的特性吸引着开发者们的目光。其中，Cortex-M系列内核作为核心组件，扮演着至关重要的角色。让我们深入了解一下Cortex-M内核，特别是Cortex-M3这一型号，它在STM32 MCUs中的独特之处。

首先，Cortex-M3内核不仅仅是CPU的引擎，它拥有一个集成的单元，包括NVIC（嵌入式向量中断控制器）和内存接口，以及追踪接口，这些组件协同工作，确保了中断控制的精确性和调试的便捷性。在R0到R15的一系列寄存器中，特别引人注目的是R13，它拥有两个堆栈指针——MSP（模式寄存器堆栈指针）和PSP（程序状态寄存器堆栈指针），它们在异常处理和应用程序执行中起到关键的支撑作用。

寄存器结构同样复杂且精细，如PSRs（程序状态寄存器）控制着ALU标志、中断状态和中断号，中断屏蔽寄存器和控制寄存器则通过特定指令进行访问。Cortex-M3内核设计了两种操作模式——handler（处理程序）和线程，以及两种特权级别，确保了内存访问的安全性，对用户级和系统级空间进行严格的隔离。

存储器管理由MPU（内存保护单元）进行精细控制，用户级权限仅限于自身的空间，禁止触及系统控制和特殊功能寄存器。在异常处理中，MSR（模式选择寄存器）的操作被严格禁止。线程和特权级的切换，如同一场精密的舞蹈，由硬件自动执行，特权级下的处理器可以通过CONTROL[0]指令轻松切换到用户级，而异常处理始终保持在特权级。

系统服务请求和上下文切换的控制则巧妙地通过SVC（系统服务调用）和PendSV（可悬挂服务）来实现。SVC必须即时响应，而PendSV则提供了一种延时执行的可能性，比如在任务A请求切换时，操作系统会暂停PendSV的执行，待任务A完成后再恢复到任务B。在没有操作系统的指令执行过程中，函数间的顺序执行是基础，涉及通用寄存器和程序计数器（PC）的操作，而函数调用则通过LR（链接寄存器）的指令跳转来完成。

函数调用时，R0到R3用于传递参数，LR则负责返回值的处理。在C语言的函数调用流程中，为了保护现场和中断执行，需要保存LR并指向栈指针，恢复现场则在函数返回时进行。在OS中，MSP和PSP作为双堆栈，MSP主要用于内核和异常处理，PSP则专用于应用程序任务。在初始化时，MSP由系统复位值指定，而PSP则在OS的初始化过程中设置。任务切换时，通过操作堆栈指针SP来实现。

总结来说，Cortex-M3内核在STM32 MCUs中通过其精巧的架构、严谨的权限管理和高效的服务调用机制，为开发者提供了强大的性能和灵活的控制，确保了系统的稳定性和高效性。