芝識課堂【TX03微控制器】—強大的Arm? Cortex?-M3內(nèi)核（上）

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上一期的芝識課堂，我們帶大家一起認(rèn)識了東芝應(yīng)用廣泛的TX03系列微控制器，并且重點介紹了TX03系列中部分產(chǎn)品組的主要特點和應(yīng)用領(lǐng)域。在MCU中，內(nèi)核是關(guān)鍵單元，要應(yīng)用好TX03系列MCU必須要先了解該系列所基于的Arm Cortex-M3內(nèi)核。本期內(nèi)容開始，芝子將向大家介紹Arm Cortex-M3內(nèi)核的特點和各基本單元。

東芝的TX03系列是基于Arm Cortex-M3內(nèi)核設(shè)計的MCU，讓我們先來一起認(rèn)識Arm Cortex-M3處理器的基本功能，方框圖如圖1所示。它由一個主核模塊、一個控制中斷的NVIC（內(nèi)嵌向量中斷控制器）模塊、一個支持調(diào)試的功能模塊和一個與外圍電路進(jìn)行外部連接的接口模塊組成。

圖1 內(nèi)核結(jié)構(gòu)方框圖

根據(jù)圖1可知，Cortex-M3主核采用三段式流水線配置。[Fe]是讀數(shù)階段，讀取PC（程序計數(shù)器）指示的存儲器地址的指令；[De]作為解碼階段，對指令進(jìn)行解碼，并確定執(zhí)行階段的執(zhí)行控制；[Ex]是執(zhí)行階段，通過Shift和ALU（算術(shù)邏輯單元）執(zhí)行四則運算、邏輯運算、乘法和除法等運算，并執(zhí)行加載和存儲，寄存器在此階段更新；最后[MUL/DIV]代表乘法／除法。

針對Arm處理器中斷響應(yīng)的問題，Cortex-M3在內(nèi)核上集成了NVIC（嵌套向量中斷控制器）。NVIC模塊可掛起正在主核上運行的計算處理，并控制切換到優(yōu)先處理。它支持系統(tǒng)異常和中斷的發(fā)生，如果在異常處理過程中需要有一個高優(yōu)先級的異常中斷，NVIC塊將：

1

暫停正在處理的異常

2

啟動高優(yōu)先級的異常處理

3

完成高優(yōu)先級的異常處理

4

恢復(fù)中斷的異常處理

它可以控制嵌套，即異常中斷處理。此外，它還包括調(diào)試控制功能和SysTickTimer，即操作系統(tǒng)（OS）進(jìn)行任務(wù)管理的硬件定時器。

Cortex-M3處理器具有R0至R15寄存器。R0至R12是通用寄存器。R13是可配置區(qū)域的寄存器，可以在兩種堆棧指針之間切換。R14是鏈接寄存器，R15是程序計數(shù)器。此外，還有控制Cortex-M3處理器特殊功能的特殊寄存器。寄存器分配如圖2所示。

圖2 寄存器分配示意圖

圖片上藍(lán)色部分寄存器均為通用寄存器，用于輸入算術(shù)單元（ALU）的數(shù)據(jù)，輸出計算結(jié)果，傳輸存儲器中儲存數(shù)據(jù)的操作等。寄存器R15（PC）和R14（LR）用于控制程序執(zhí)行順序，而寄存器R13則用于堆棧指針。

特別要注意的是，Arm Cortex-M3內(nèi)核在異常／中斷處理程序的開始和結(jié)束時會自動執(zhí)行入棧和出棧功能?？勺詣訄?zhí)行入棧和出棧的寄存器有8個，分別是R0、R1、R2、R3、R12、R14、R15和xPSR。

我們來看看如圖3所示的在發(fā)生異常／中斷事件時，程序流程示例中的入棧和出棧操作。

圖3 異常／中斷事件時，程序流程的入棧和出棧操作圖

此外，Arm Cortex-M3還在內(nèi)核水平上搭載了若干特殊功能寄存器，主要可分為三組：狀態(tài)字寄存器（三合一）、中斷屏蔽寄存器、控制寄存器。具體功能及描述可看圖4。

圖4 Arm Cortex-M3內(nèi)核特殊寄存器功能概述

通過今天的芝識課堂，我們帶大家從內(nèi)核的基本結(jié)構(gòu)入手，不僅學(xué)習(xí)了流水線的基本流程，還了解了該內(nèi)核的寄存器相關(guān)知識和分配的規(guī)則。在隨后的芝識課堂中，我們將會繼續(xù)跟大家一起學(xué)習(xí)Arm Cortex-M3內(nèi)核的操作模式和其他功能單元，請大家持續(xù)關(guān)注芝識課堂，別錯過最詳盡的MCU基礎(chǔ)功能介紹哦！

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