一文解析Cortex

Cortex-M是愛特梅爾公司發(fā)布的全新Atmel? SAM D20微控制器，采用的是是全球微控制器標(biāo)準(zhǔn)。微控制器處理器通常設(shè)計成面積很小和能效比很高。通常這些處理器的流水線很短，最高時鐘頻率很低（雖然市場上有此類的處理器可以運行在200Mhz之上）。 并且，新的Cortex-M處理器家族設(shè)計的非常容易使用。因此，ARM 微控制器處理器在單片機和深度嵌入式系統(tǒng)市場非常成功和受歡迎。

本文主要介紹的是Cortex-M處理器架構(gòu)特性，分別從編程模型、異常處理模型和嵌套向量中斷控制器NVIC、操作系統(tǒng)支持特性、TrustZone安全擴展及錯誤處理等幾個方面來詳細(xì)解析，具體的跟隨小編一起來了解一下。

Cortex-M處理器家族的編程模型是高度一致的。例如所有的Crotex-M處理器都支持R0到R15，PSR， CONTROL 和 PRIMASK。兩個特殊的寄存器— FAULTMASK 和 BASEPRI—只有Cortex-M3， Cortex-M4， Cortex-M7 和 Cortex-M33支持；浮點寄存器組和FPSCR（浮點狀態(tài)和控制寄存器）寄存器，是Cortex-M4/M7/M33可選的浮點運算單元使用的。

BASEPRI寄存器允許程序阻止指定優(yōu)先級或者低的優(yōu)先級中斷和異常。對ARMv7-M來說這是很重要的，因為Cortex-M3， Cortex-M4， Cortex-M7 和 Cortex-M33有大量的優(yōu)先級等級，而ARMv6-M 和 ARMv8-M Baseline只有有限的4個優(yōu)先等級。FAULTMASK通常用在復(fù)雜的錯誤處理上（查看章節(jié)3.4）

非特權(quán)級別的實現(xiàn)對ARMv6-M處理器是可選的，對ARMv7-M 和ARMv8-M處理器一直支持的。對Cortex-M0+處理器，它是可選的， Cortex-M0 and Cortex-M1不支持這個功能。這意味著在各種Cortex-M處理器的CONTROL 寄存器是稍微不同的。FPU的配置也會影響到CONTROL寄存器，如圖6所示。

另外一個編程模型之間的不同是PSR寄存器（程序狀態(tài)寄存器）的細(xì)節(jié)。所有的Cortex-M處理器，PSR寄存器都被再分成應(yīng)用程序狀態(tài)寄存器（APSR），執(zhí)行程序狀態(tài)寄存器（EPSR）和中斷程序狀態(tài)寄存器（IPSR）。 ARMv6-M 和 ARMv8-M Baseline系列的處理器不支持APSR的Q位和EPSR的ICI/IT位。ARMv7E-M系列 （ Cortex-M4， Cortex-M7） 和ARMv8-M Mainline （配置了DSP擴展的Cortex-M33 ）支持GE位。另外，ARMv6-M系列處理器IPSR的中斷號數(shù)字范圍很小，如圖7所示。

請注意Cortex-M的編程模型和ARM7TDMI等這些經(jīng)典的ARM處理器是不一樣的。除了寄存器組不同外，經(jīng)典ARM處理器中“模式”和“狀態(tài)”的定義與Cortex-M中的也是不同的。Cortex-M只有兩個模式：線程模式（Thread）和管理者模式（Handler），并且Cortex-M處理器一直運行在Thumb狀態(tài)（不支持ARM指令）

所有的Cortex-M處理器都包含了NVIC模塊，采用同樣的異常處理模型。如果一個異常中斷發(fā)生，它的優(yōu)先等級高于當(dāng)前運行等級，并且沒有被任何的中斷屏蔽寄存器屏蔽，處理器會響應(yīng)這個中斷/異常，把某些寄存器入棧到當(dāng)前的堆棧上。這種堆棧機制下，中斷處理程序可以編寫為一個普通的C函數(shù)，許多小的中斷處理函數(shù)可以立即直接響應(yīng)工作而不需要額外的堆棧處理花銷。

一些ARMv7-M/ARMv8-M Mainline系列的處理器使用的中斷和系統(tǒng)異常并不被ARMv6-M/ARMv8-M Baseline的產(chǎn)品支持，如圖8. 例如，Cortex-M0， M0+ 和M1的中斷數(shù)被限制在32個以下，沒有調(diào)試監(jiān)測異常，錯誤異常也只限于HardFault（錯誤處理細(xì)節(jié)請參看章節(jié)3.4）。相比之下，Cortex-M23， Cortex-M3， Cortex-M4 和Cortex-M7處理器可以支持到多達(dá)240個外圍設(shè)備中斷。Cortex-M33支持最多480個中斷。

另外一個區(qū)別是可以使用的優(yōu)先等級數(shù)量：

ARMv6-M 架構(gòu) - ARMv6-M支持2級固定的（NMI 和 HardFault）和4級可編程的（由每個優(yōu)先等級寄存器的兩個位表示）中斷/異常優(yōu)先級。這對大多數(shù)的微控制器應(yīng)用來說足夠了。

ARMv7-M 架構(gòu) - ARMv7-M系列處理器的可編程優(yōu)先級等級數(shù)范圍，根據(jù)面積的限制，可以配置成8級（3位）到256級（8位）。ARMv7-M處理器還有一個叫做中斷優(yōu)先級分組的功能，可以把中斷優(yōu)先級寄存器再進(jìn)一步分為組優(yōu)先級和子優(yōu)先級，這樣可以詳細(xì)地制定搶占式優(yōu)先級的行為。

ARMv8-M Baseline – 類似 ARMv6-M，M23也有2位的優(yōu)先級等級寄存器。借助可選的TrustZone安全擴展組件，安全軟件可以把非安全環(huán)境中的中斷的優(yōu)先等級轉(zhuǎn)換到優(yōu)先等級區(qū)間的下半?yún)^(qū)，這就保證了安全環(huán)境中的某些中斷/異?？偸潜确前踩h(huán)境中的優(yōu)先級要高。

ARMv8-M Mainline – 類似于 ARMv7-M。 可以支持8到256個中斷優(yōu)先等級和中斷優(yōu)先級分組。還支持ARMv8-M Baseline具有的優(yōu)先等級調(diào)整功能。

所有的Cortex-M處理器在異常處理是都要依靠向量表。向量表保存著異常處理函數(shù)的起始地址（如圖8所示）。向量表的起始地址由名為向量表偏移寄存器（VTOR）決定。

1、Cortex-M0+， Cortex-M3 and Cortex-M4 processors： by default the vector table is located in the starTIng of the memory map （address 0x0）。 Cortex-M0+， Cortex-M3 and Cortex-M4： 向量表默認(rèn)放在存儲空間的起始地址（地址 0x0）。

2、In Cortex-M7， Cortex-M23 and Cortex-M33 processors： the default value for VTOR is defined by chip designers. Cortex-M23 and Cortex-M33 processors can have two separated vector tables for Secure and Non-secure excepTIons/interrupts. Cortex-M7， Cortex-M23 and Cortex-M33：VTOR的初始值由芯片設(shè)計者定義。Cortex-M23 and Cortex-M33處理器面向安全和非安全的異常/中斷有兩個獨立的向量表。

3、Cortex-M0 and Cortex-M1 does not implement programmable VTOR and vector table starTIng address is always 0x00000000. Cortex-M0 and Cortex-M1沒有實現(xiàn)可編程的VTOR，向量表起始地址一直為0x00000000。

Cortex-M0+ 和 Cortex-M23處理器的VTOR是可選項。如果VTOR被實現(xiàn)了，向量表的起始地址可以通過設(shè)置VTOR來改變，這個功能對下列情況有用：

1、重定位向量表到SRAM來實現(xiàn)動態(tài)改變異常處理函數(shù)入口點

2、重定位向量表到SRAM來實現(xiàn)更快的向量讀?。ㄈ绻鹒lash存儲器很慢）

3、重定位向量表到ROM不同位置（或者Flash），不同的程序運行階段可以有不同的異常處理程序

不同的Cortex-M處理器之間的NVIC編程模型也有額外的不同。差異點總結(jié)在表 5中：

大部分情況下，對NVIC的中斷控制特性的操作都是通過CMSIS-CORE提供的APIs處理的，他們在微控制器廠商提供的設(shè)備驅(qū)動程序庫里。對Cortex-M3/M4/M7/M23/M33處理器，即使中斷被使能了，它的優(yōu)先級也可以被改變。ARMv6-M處理器不支持動態(tài)優(yōu)先等級調(diào)整，當(dāng)你需要改變中斷優(yōu)先等級是，需要暫時的關(guān)掉這個中斷。

Cortex-M處理器架構(gòu)在設(shè)計時就考慮到了操作系統(tǒng)的支持。針對操作系統(tǒng)的特性有：

影子堆棧指針

系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用（SVC）和可掛起系統(tǒng)調(diào)用（PenSV）異常

SysTIck – 24位遞減計時器，為操作系統(tǒng)的計時和任務(wù)管理產(chǎn)生周期性的異常中斷

Cortex-M0+/M3/M4/M7/M23/M33支持的非特權(quán)執(zhí)行和存儲保護(hù)單元（MPU）

系統(tǒng)服務(wù)調(diào)用（SVC）異常由SVC指令觸發(fā)，他可以讓運行在非特權(quán)狀態(tài)的應(yīng)用任務(wù)啟動特權(quán)級的操作系統(tǒng)服務(wù)?？蓲炱鹣到y(tǒng)調(diào)用異常在操作系統(tǒng)中像上下文切換這樣的非關(guān)鍵操作的調(diào)度非常有幫助。

為了能把Cortex-M1放到很小的FPGA器件中，所有用來支持操作系統(tǒng)的特性對Cortex-M1都是可選的。對Cortex-M0， Cortex-M0+ 和Cortex-M23處理器，系統(tǒng)時鐘SysTick是可選的。

通常，所有的Cortex-M處理器都支持操作系統(tǒng)。執(zhí)行在Cortex-M0+， Cortex-M3， Cortex-M4， Cortex-M7， Cortex-M23 和 Cortex-M33的應(yīng)用可以運行在非特權(quán)運行狀態(tài)，并且可以同時利用可選的存儲器管理單元（MPU）以避免內(nèi)存非法訪問。這可以增強系統(tǒng)的魯棒性。

近幾年來， 物聯(lián)網(wǎng)（IoT）成為了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者們的熱門話題。IoT系統(tǒng)產(chǎn)品變得更加復(fù)雜，上市時間的壓力也與日俱增。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品需要更好的方案來保證系統(tǒng)的安全，但是同時又要方便軟件開發(fā)者開發(fā)。傳統(tǒng)的方案是通過把軟件分成特權(quán)和非特權(quán)兩部分解決的，特權(quán)級軟件利用MPU防止非特權(quán)的應(yīng)用訪問包含安全敏感信息在內(nèi)的的關(guān)鍵的系統(tǒng)資源。這種方案對一些IoT系統(tǒng)非常適合，但是在一些情況下，只有兩層劃分是不夠的。特別是那些包含很多復(fù)雜特權(quán)級別的軟件組件的系統(tǒng)，特權(quán)級的代碼的一個缺陷就可以導(dǎo)致黑客徹底的控制這個系統(tǒng)

ARMv8-M架構(gòu)包含了一個叫做TrustZone的安全擴展，TrustZone導(dǎo)入了安全和非安全狀態(tài)的正交劃分。

普通應(yīng)用是非安全態(tài)

軟件組件和安全相關(guān)的資源（例如，安全存儲，加密加速器，正隨機數(shù)發(fā)生器（TRNG））處在安全狀態(tài)。

非安全狀態(tài)的軟件只能訪問非安全狀態(tài)的存儲空間和外圍設(shè)備，安全軟件可以訪問兩種狀態(tài)下的所有資源。

用這種方案，軟件開發(fā)者可以用以往的方式開發(fā)非安全環(huán)境下的應(yīng)用程序。同時，他們可以借助芯片廠商提供的安全通訊軟件庫執(zhí)行安全物聯(lián)網(wǎng)連接。并且即使運行在非安全環(huán)境的特權(quán)級的程序有漏洞，TrustZone安全機制可以阻止黑客控制整個設(shè)備，限制了攻擊的影響，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程恢復(fù)。此外，ARMv8-M架構(gòu)也引入了堆棧邊界檢查和增強的MPU設(shè)計，促使額外安全措施的采用。

安全架構(gòu)定義也擴展到了系統(tǒng)級別，每個中斷都可以被設(shè)置為安全或者非安全屬性。中斷異常處理程序也會自動保存和恢復(fù)安全環(huán)境中的寄存器數(shù)據(jù)以防止安全信息泄露。所以，TrustZone安全擴展讓系統(tǒng)能夠支持實時系統(tǒng)的需求，為IoT應(yīng)用提供了堅實的安全基礎(chǔ)，并且容易讓軟件開發(fā)在此技術(shù)上開發(fā)應(yīng)用程序。

TrustZone模塊對Cortex-M23 and Cortex-M33處理器是可選的。關(guān)于ARMv8-M TrustZone更多的信息請查找The Next Steps in the Evolution of Embedded Processors for the Smart Connected Era。更多的TrustZone的資源請查看community.arm.com網(wǎng)站上的“TrustZone for ARMv8-M Community”，

ARM處理器和其他架構(gòu)的微控制器的一個區(qū)別是錯誤處理能力。當(dāng)錯誤被檢測到時，一個錯誤異常處理程序被觸發(fā)去執(zhí)行恰當(dāng)?shù)奶幚?。觸發(fā)錯誤的情況可能是：

未定義的指令（例如，F(xiàn)lash存儲器損壞）

訪問非法地址空間（例如，堆棧指針崩潰）或者M(jìn)PU非法訪問

非法操作（例如，當(dāng)處理器已經(jīng)在優(yōu)先級高于SVC的中斷中試圖觸發(fā)SVC異常）

錯誤處理機制使嵌入式系統(tǒng)能夠更快的響應(yīng)各種問題。否則，如果系統(tǒng)死機了，看門狗定時需要非常長的時間重啟系統(tǒng)。

ARMv6-M架構(gòu)中，所有的錯誤事件都會觸發(fā)HardFault處理程序，它的優(yōu)先級是-1（優(yōu)先級比所有的可編程異常都高，但是僅低于非屏蔽中斷NMI）。 所有的錯誤事件都被認(rèn)為是不可恢復(fù)的，通常我們在HardFault處理程序中僅運行錯誤報告然后進(jìn)一步觸發(fā)自動復(fù)位。

ARMv8-M Baseline架構(gòu)和ARMv6-M類似，只有一個錯誤異常（HardFault）。但是ARMv8-M Baseline的HardFault優(yōu)先級可以是-1或者當(dāng)實現(xiàn)了TrustZone安全擴展時優(yōu)先級是-3.

ARMv7-M 和 ARMv8-M Mainline產(chǎn)品除了HardFault還有幾個可配置的錯誤異常：

1、Memmanage（內(nèi)存管理錯誤）

2、總線錯誤（總線返回錯誤的響應(yīng)）

3、用法錯誤（未定義指令或者其他的非法操作）

4、SecureFault（只用ARMv8-M Mainline產(chǎn)品支持，處理TrustZone安全擴展中的安全非法操作）

這些異常的優(yōu)先級可以編程改變，可以單獨的打開和關(guān)掉。如果需要，它們也可以利用FAULTMASK寄存器把它們的優(yōu)先級提高到和HardFault相同的級別。ARMv7-M 和 ARMv8-M Mainline產(chǎn)品還有幾個錯誤狀態(tài)寄存器可以提供關(guān)于觸發(fā)錯誤異常事件的線索和錯誤地址的寄存器，用來確定觸發(fā)這個錯誤異常的訪問地址，使調(diào)試更加容易。

ARMv7-M 和 ARMv8-M Mainline產(chǎn)品子規(guī)范中額外的錯誤處理程序提供了靈活的錯誤處理能力，錯誤狀態(tài)寄存器讓錯誤事件的定位和調(diào)試更加容易。很多商業(yè)開發(fā)套件中的調(diào)試器已經(jīng)內(nèi)嵌了使用錯誤狀態(tài)寄存器來診斷錯誤事件的功能。此外，錯誤處理程序可以在運行時做一些修復(fù)工作。