第二章 ARM Cortex-M 处理器
1.简述 ARM 处理器的特点。
①低功耗、低成本、高性能；
②支持 Thumb（16bit）/ARM（32bit）双指令集； ③大量使用寄存器，指令执行速度更快； ④大多数数据操作都在寄存器中完成； ⑤寻址方式灵活简单，执行效率高； ⑥指令长度固定。
2.ARM 体系结构的版本各有什么特点？
V1 版架构只有26位寻址空间，包含的基本指令有：基本的数据处理指令(无乘法)，基于字节、半字和字的 Load/Store 指令，转移指令，软件中断指令；
V2 版架构主要增加了以下功能：乘法和乘法指令，支持协处理器的操作，快速中断模式，SWP/SWPB的存储器和寄存器交换指令；
V3架构增加了MRS/MSR指令访问新增的CPSR/SPSR寄存器，增加了异常处理返回，寻址空间扩展到了32位；
V4架构增加了符号化和非符号化半字及符号化字节的存取指令，16位的Thumb指令，完善软件中断SWI指令，增加处理器管理模式；
V5架构增加了带有链接和交换的转移BLX指令，计数前导零CLZ指令，BRK中断指令，一些信号处理的指令；
V6架构增加了SIMD功能扩展，为包括音频/视频处理在内的应用系统提供优化功能，同时异常处理和中断处理得以改进，实时任务处理能力增强；
V7架构主要增加了以下功能：32位、16位混合编码指令，增强了SIMD、DSP功能扩展，为OS、音视频处理应用系统提供优化功能；
V8架构包括64 位通用寄存器、SP（堆栈指针）和PC（程序计数器）64 位数据处理和扩展的虚拟寻址，支持A32、T32、A64三个主要指令集。
3.主要的 ARM 处理器有哪些？
ARM 处理器主要有ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11、SecurCore、Xscale 和 Cortex系列。
4.说明 AMR Cortex 系列处理器的特点和应用领域。
①Cortex-A 系列：应用处理器，追求高时钟频率、高性能、合理功耗，主要应用于复杂操作系统和用户应用程序的处理器。
②Cortex-R 系列：实时控制处理器，追求实时响应、合理性能、较低功耗，主要应用于要求可靠性和实时响应的嵌入式系统。
③Cortex-M 系列：微控制器，追求极低成本、极低功耗，主要应用于要求超低功耗的嵌入式系统。
5.简述 Cortex-M 处理器的模式和状态，各有什么特点？
Cortex-M处理器有2种操作状态，2个模式。其中2种操作状态分别是调试状态和Thumb 状态，调试状态是指当处理器由于触发断点等原因被暂停后，进入调试状态并停止指令执行；Thumb 状态是指若处理器在执行程序代码(Thumb
指令)，则会处于此状态。2种模式分别是线程模式和处理模式，线程模式是指用于执行应用程序软件，当复位时，处理器进入线程模式；处理异常时处理器工作于处理模式，完成异常处理后返回线程模式。
6.Cortex-M4 处理器的主要寄存器有哪些？
Cortex-M4主要寄存器包括R0~R12通用寄存器、R13堆栈指针寄存器、R14链接寄存器、R15程序计数寄存器、程序状态寄存器、中断屏蔽寄存器和控制寄存器。
7.简述 Cortex-M4 处理器异常优先级。
处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处理。Cortex-M4 支持 3 个固定的高优先级和多达 256 级的可编程优先级，并且支持 128 级抢占。复位、NMI 和硬件故障这 3 个系统异常的优先级是固定的，并且是负数，它们的优先级高于所有其他异常。其他异常的优先级则都是可编程的，范围为 0～255。优先级的数值越小，优先级越高。更高优先级的异常可以抢占低优先级的异常实现异常/中断嵌套。
8.Cortex-M4 的异常类型以及异常对应的工作模式和状态转换是怎么样的过程？
Cortex-M4 的异常类型包括系统异常和外设中断两种，其中编号 0~ 15是 16 种系统异常，编号 16~255 为 240 种外设中断。
异常发生时，Cortex-M4处理器工作模式和状态转换如下图所示，Cortex-M4 处理器在复位时自动进入特权级的线程模式，此时如果有异常发生，将自动进入特权级的处理模式，处理完异常中断后返回特权级线程模式继续向下执行程序。用户程序可以通过修改控制寄存器 CONTROL 的最低位由 0 变 1，将特权线程模式切换到用户级线程模式。在用户级线程模式下如果发生异常中断，则处理器切换到特权级处理模式，处理完异常中断，再返回原来用户级线程模式被终止的下一条指令继续执行用户程序。
9.查阅资料，列举几个使用 ARM 处理器的 MPU、MCU 芯片型号，并简要说明其特征和应用领域。
①MPU：AM335X，其特点是基于ARM Cortex-A8内核，带NEON协处理器，二级高速缓存，集成了2个MAC。AM335X处理器已在工业控制、医疗电子、节能环保、智能交通等领域应用。
①MCU：MSP430，一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器，其特点是处理能力强，运算速度快，超低功耗，具有方便高效的开发环境。MSP430系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。
10.查阅资料，结合自己的理解，谈谈 ARM 处理器有哪几个比较成功和失败的型号。
ARM处理器比较成功的型号有ARM7系列和Cortex系列。其中ARM7系列处理器是低功耗的32位RISC处理器，主要用于对功耗和成本要求较高的消费类产品。Cortex 系列处理器采用ARM v7 体系结构，又分为Cortex-A 系列、Cortex-R系列、Cortex-M系列，其中最为成功的是Cortex-M系列，追求低成本、极功耗，应用范围较广，是一款主流ARM处理器。
ARM处理器比较失败的型号有ARM9系列，ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面有比较好的表现，但因为造价较高，不受市场认可，所以并不是一款主流ARM处理器。
习题 第2章-嵌入式系统原理与实践-沈建华-清华大学出版社
