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ARM Cortex-M3 内核结构
2.1 ARM Cortex-M3 处理器简介
2.1.1 概述
ARM公司成立于上个世纪九十年代初，致力于处理器内核研究，ARM 即 Advanced RISC Machines 的缩写，ARM公司本身不生产芯片，只设计内核，靠转让设计许可，由合作伙伴公司来生产各具特色的 芯片。这种运行模式运营的成果受到全球半导公司以及用户的青睐。目前ARM体系结构的处理器内核有： ARM7TDMI、ARM9TDMI、ARM10TDMI、ARM11以及Cortex等。2005年ARM推出的ARM Cortex系列内核，分别
为：A系列、R系列和M系列，其中A系列是针对可以运行复杂操作系统（Linux、Windows CE、Symbian 等）的处理器；R系列是主要针对处理实时性要求较高的处理器（汽车电子、网络、影像系统）；M系列 又叫微控制器，对开发费用敏感，对性能要求较高的场合。
Cortex-M系列目前的产品有M0、M1、M3，其中M1用在FPGA中。Cortex-M系列对微控制器和低成本应 用提供优化，具有低成本、低功耗和高性能的特点，能够满足微控制器设计师进行创新设计的需求。其 中，ARM Cortex-M3处理器的性能是ARM7的两倍，而功耗却只有ARM7的1/3，适用于众多高性能、极其低 成本需求的嵌入式应用，如微控制器、汽车系统、大型家用电器、网络装置等，ARM Cortex-M3提供了 32位微控制器市场前所未有的优势。
Cortex-M3内核，内部的数据路径为32位，寄存器为32位，存储器接口也是32位。Cortex-M3采用了 哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问分开进行。Cortex-M3还提供一个 可选的MPU，对存储器进行保护，而且在需要的情况下也可以使用外部的cache。另外在Cortex-M3中， 存储器支持小端模式和大端存储格式。Cortex-M3内部还附赠了很多调试组件，用于在硬件水平上支持 调试操作，如指令断点，数据观察点等。另外，为支持更高级的调试，还有其它可选组件，包括指令跟 踪和多种类型的调试接口。
2.1.2 内核结构组成及功能描述
Cortex-M3微控制器内核包括处理核心和许多的组件，目的是用于系统管理和调试支持。如图2.1为 Cortex-M3内核方框图。
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NMI 中断号[239:0]
SLEEPING SLEEPDEEP NVIC SysTick 中断 睡眠 调试 指令 MPU Cortex-M3 CM3核 ETM 数据 触发 TPIU
FPB DWT ITM 专用外 设总线
SW-DP JTAG-DP 专用外设总线（内部） AHB-AP 总线矩阵 APB ROM表
I-code总线 D-code总线 系统总线 系统总线（AHB）
总线矩阵
静态 RAM 外部 RAM 外部 控制器 设备
AHB to APB 总线
SRAM 可 选配
Flash 存 储器 外部 RAM 外设总线 I/O UART PWM Timer
图 2.1 Cortex-M3 内核方框图
1.处理器内核
Cortex-M3处理器内核采用ARMv7-M架构，其主要特性如下：
Thumb-2指令集架构（ISA）的子集，包含所有基本的16位和32位Thumb-2指令； 哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指； 带分支预测的三级流水线； 32位单周期乘法； 硬件除法；
Thumb状态和调试状态；
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? ? 处理模式和线程模式； ISR的低延迟进入和退出；
可中断-可继续（interruptible-continued）的LDM/STM、PUSH/POP； 支持ARMv6类型BE8/LE； 支持ARMv6非对齐访问。
2.NVIC（嵌套向量中断控制器）
NVIC与处理器内核是紧密耦合的，这样可实现快速、低延迟的异常处理。在Cortex-M微控制器此功 能非常强大。
3.总线矩阵
总线矩阵用来将处理器和调试接口与外部总线相连。 处理器包含4 个总线接口：
ICode 存储器接口：从Code 存储器空间（0x0000000–0x1FFFFFFF）的取指都在这条32 位 AHBLite 总线上执行。
DCode 存储器接口：对Code 存储器空间（0x0000000–0x1FFFFFFF）进行数据和调试访问都 在这条32 位AHBLite 总线上执行。
系统接口：对系统空间（0x20000000–0xDFFFFFFF）进行取指、数据和调试访问都在这条32 位 AHBLite 总线上执行。
外部专用外设总线（PPB）：对外部PPB 空间（0xE0040000–0xE00FFFFF）进行数据和调试访 问都在这条32 位APB 总线（AMBA v2.0）上执行。跟踪端口接口单元（TPIU）和厂商特定的 外围器件都在这条总线上。
注：处理器包含一条内部专用外设总线，用来访问嵌套向量中断控制器（NVIC）、数据观察点和 触发（DWT）、Flash 修补和断点（FPB），以及存储器保护单元（MPU）。
4.FPB
FPB单元实现硬件断点以及从代码空间到系统空间的修补访问，FPB有8个比较器。
5.DWT
数据观察点和跟踪，调试功能部件。
6.ITM
ITM是一个应用导向（application driven）的跟踪源，支持对应用事件的跟踪和printf类型的调 试。
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