ARM Cortex-M3 核心介绍
Cortex-M3 是 ARM 设计的一款高效低功耗的 32 位嵌入式处理器，基于 ARMv7-M 体系架构，主要用于工业控制、物联网、汽车电子、医疗设备等嵌入式应用。
1. Cortex-M3 的特点
| 特点 | 描述 |
|---|---|
| 高性能 | 最高主频可达 100-200MHz，单周期执行 Thumb-2 指令 |
| 低功耗 | 适用于低功耗应用，支持睡眠和深度睡眠模式 |
| Thumb-2 指令集 | 仅支持 Thumb-2 指令（无 ARM 32 位指令），提高代码密度 |
| 中断嵌套 | 内置 NVIC（嵌套向量中断控制器），支持 256 级优先级 |
| 向量异常机制 | 硬件支持异常处理，自动保存和恢复寄存器 |
| MPU（可选） | 支持存储器保护单元，增强安全性 |
| 无 MMU | 不支持内存管理单元（MMU），适用于无操作系统环境 |
2. Cortex-M3 的寄存器
（1）通用寄存器
Cortex-M3 处理器有 16 个通用寄存器（R0-R15）：
| 寄存器 | 别名 | 描述 |
|---|---|---|
| R0-R3 | 低寄存器 | 主要用于参数传递、函数返回值 |
| R4-R11 | 高寄存器 | 保存局部变量（需手动保存） |
| R12 | IP | 临时存储 |
| R13 (SP) | 堆栈指针 | MSP（主堆栈）或 PSP（进程堆栈） |
| R14 (LR) | 链接寄存器 | 存储函数或异常返回地址 |
| R15 (PC) | 程序计数器 | 存储当前执行指令的地址 |
说明：
- R0-R3 用于参数传递（函数调用时）。
- R4-R11 用于存储局部变量，需要手动保存和恢复。
- R12 作为临时变量，不需要手动保存。
- R13（SP） 代表堆栈指针（有 MSP 和 PSP 两种）。
- R14（LR） 存储函数或异常返回地址。
- R15（PC） 存储当前执行的指令地址。
（2）特殊寄存器
Cortex-M3 有 3 个重要的特殊寄存器：
| 寄存器 | 描述 |
|---|---|
| xPSR（程序状态寄存器） | 存储指令状态、异常号、标志位 |
| PRIMASK（中断屏蔽寄存器） | 只允许最高优先级中断 |
| BASEPRI（优先级屏蔽寄存器） | 屏蔽低于特定优先级的中断 |
| FAULTMASK（故障屏蔽寄存器） | 屏蔽所有中断（包括 HardFault） |
| CONTROL（控制寄存器） | 切换 MSP / PSP 和特权 / 非特权模式 |
xPSR（程序状态寄存器）结构
| 位 | 名称 | 作用 |
|---|---|---|
| 31 | N | 负数标志 |
| 30 | Z | 零标志 |
| 29 | C | 进位标志 |
| 28 | V | 溢出标志 |
| 27-25 | - | 保留 |
| 24 | T | Thumb 状态（固定为 1） |
| 23-16 | ISR_NUMBER | 当前异常号 |
| 15-0 | - | 保留 |
说明：
- ISR_NUMBER：存储当前运行的中断或异常号。
- T 位固定为 1：Cortex-M3 仅支持 Thumb 指令集。
3. Cortex-M3 的异常与中断
Cortex-M3 支持 16 个系统异常 + 240 个外部中断。
（1）异常类型
| 异常号 | 异常名称 | 优先级（越小优先级越高） | 描述 |
|---|---|---|---|
| -1 | 复位（Reset） | -3 | 复位时触发 |
| 0 | 不可屏蔽中断（NMI） | -2 | 最高优先级 |
| 1 | 硬故障（HardFault） | -1 | 硬件错误（内存、总线、指令异常） |
| 2 | 存储器管理（MemManage） | 可配置 | MPU 访问错误 |
| 3 | 总线错误（BusFault） | 可配置 | 总线访问异常 |
| 4 | 用法错误（UsageFault） | 可配置 | 指令执行错误 |
| 5-10 | 保留 | - | - |
| 11 | SVCall（系统调用） | 可配置 | SVC 指令触发 |
| 12 | 调试监控（DebugMonitor） | 可配置 | 调试异常 |
| 13 | PendSV（任务切换） | 可配置 | 用于 RTOS 任务切换 |
| 14 | SysTick（系统定时器） | 可配置 | 用于系统滴答定时 |
| 15+ | 外部中断（IRQ） | 可配置 | 通过 NVIC 控制 |
（2）异常处理流程
当 Cortex-M3 发生异常时，执行以下步骤：
硬件保存现场
- 自动将 R0-R3、R12、LR、PC、xPSR 压入堆栈
- 切换到异常模式
- 关闭中断（NVIC 管理）
跳转到异常向量
- Cortex-M3 使用向量表（0x00000000 或 0x08000000）
执行异常处理代码
- 进入异常处理函数
异常返回
- 从堆栈恢复 R0-R3、R12、LR、PC、xPSR
- 继续执行原来的代码
（3）中断嵌套与 NVIC
NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套向量中断控制器） 负责管理中断：
- 支持 256 级中断优先级
- 支持中断嵌套
- 支持动态调整优先级
示例：使能外部中断
NVIC_EnableIRQ(EXTI0_IRQn); // 使能 EXTI0 中断
NVIC_SetPriority(EXTI0_IRQn, 2); // 设置优先级为 2
4. 总结
- Cortex-M3 是 高效低功耗 处理器，支持 Thumb-2 指令集。
- 具有 16 个通用寄存器 + xPSR、CONTROL、PRIMASK 等特殊寄存器。
- 支持 16 个系统异常 + 240 个外部中断，通过 NVIC 控制。
- 异常处理由硬件自动保存现场，减少中断处理时间。
- 支持 RTOS（实时操作系统），使用 PendSV 进行任务切换。
如果你有具体问题，可以继续探讨！😃