ARM Cortex-M3權威指南-總線架構圖和存儲系統（3）

系統圖

 

• NVIC 嵌套向量中斷控制器
• SYSTICK Timer 一個簡易的周期定時器，用於提供時基， 亦被操作系統所使用

系統滴答定時器是一個非常基本的倒計時定時器，用於在每隔一定的時間產生一個中斷，即使是系統在睡眠模式下也能工作。它使得 OS 在各 CM3 器件之間的移植中不必修改系統定時器的代碼，移植工作一下子容易多了。 SysTick 定時器也是實現在NVIC 內部的。

• MPU 存儲器保護單元（可選）

MPU 是一個選配的單元，有些 CM3 芯片可能沒有配備此組件。如果有，則它可以把存儲器分成一些 regions，並分別予以保護。例如，它可以讓某些 regions在用戶級下變成只讀，從而阻止了一些用戶程序破壞關鍵數據

• CM3BusMatrix 內部的 AHB 互連
• AHB to APB 把 AHB 轉換為 APB 的總線橋
• SW-DP/SWJ-DP 串行線調試端口/串行線 JTAG 調試端口。通過串行線調試協議或者是傳統的 JTAG 協議（專用於 SWJ-DP），都可以用於實現與調試接口的連接
• AHB-AP AHB 訪問端口，它把串行線/SWJ 接口的命令轉換成 AHB 數據傳送
• ETM 嵌入式跟蹤宏單元（可選組件），調試用。 用於處理指令跟蹤
• DWT 數據觀察點及跟蹤單元，調試用。這是一個處理數據觀察點功能的模塊
• ITM 儀器化跟蹤宏單元
• TPIU 跟蹤單元的接口單元。所有跟蹤單元發出的調試信息都要先送給它，它再Cortex-M3
• 轉發給外部跟蹤捕獲硬件的。
• FPB Flash 地址重載及斷點單元

flash地址重載是指：當CPU訪問某條指令時，若該地址在FPB中“掛了號”，則將把該地址重映射到另一個地址，后者亦在編程FPB時指出。 實際結果是從映射過的地址處取指（通常，映射前的地址是flash中的地址，映射后的地址是SRAM中的地址，所以才是”Flash”地址重載）。此外，匹配的地址還能用來觸發斷點事件。

• ROM 表 一個小的查找表，其中存儲了配置信息

存儲系統功能概覽

第一，它的存儲器映射是預定義的，並且還規定好了哪個位置使用哪條總線。
第二，CM3的存儲器系統支持所謂的“位帶”（bit-band）操作。通過它，實現了對單一比特的原子操作。位帶操作僅適用於一些特殊的存儲器區域中。
第三，CM3 的存儲器系統支持非對齊訪問和互斥訪問。這兩個特性是直到了 v7M 時才出來的。
最后，CM3 的存儲器系統支持 both 小端配置和大端配置。

存儲器映射

CM3 只有一個單一固定的存儲器映射。這一點極大地方便了軟件在各種 CM3 單片機間的移植。舉個簡單的例子，各款 CM3 單片機的 NVIC 和 MPU 都在相同的位置布設寄存器，使得它們變得與具體器件無關。盡管如此， CM3 定出的條條框框是粗線條的，它依然允許芯片制造商靈活細膩地分配存儲器空間，以制造出各具特色的單片機產品。
存儲空間的一些位置用於調試組件等私有外設，這個地址段被稱為“私有外設區”。私有外設區的組件包括：

1.  閃存地址重載及斷點單元(FPB)
2. 數據觀察點單元(DWT)
3. 儀器化跟蹤宏單元(ITM)
4. 嵌入式跟蹤宏單元(ETM)
5. 跟蹤端口接口單元(TPIU)
6. ROM 表

CM3的地址空間是4GB, 程序可以在代碼區，內部 SRAM 區以及外部 RAM 區中執行。但是因為指令總線與數據總線是分開的，最理想的是把程序放到代碼區，從而使取指和數據訪問各自使用自 己的總線，並行不悖。

內部 SRAM 區的大小是 512MB，用於讓芯片制造商連接片上的 SRAM，這個區通過系統總線來訪問。在這個區的下部，有一個 1MB 的位帶區，該位帶區還有一個對應的 32MB 的“位帶別名(alias)區”，容納了 8M 個“位變量”，位帶別名區里面的每個字對應位帶區的一個比特。位帶操作只適用於數據訪問，不適用於取指。通過位帶的功能，可以把多個布爾型數據打包在單一的字中，卻依然可以從位帶別名區中，像訪問普通內存一樣地使用它們。位帶別名區中的訪問操作是原子的，消滅了傳統的“讀－改－寫”三步曲。地址空間的 512MB 范圍由片上外設（的寄存器）使用。這個區中也有一條 32MB位帶別名，以便於快捷地訪問外設寄存器。例如，可以方便地訪問各種控制位和狀態位。要注意的是，外設內不允許執行指令。

1GB 的范圍，分別用於連接外部 RAM 和外部設備，它們之中沒有位帶。兩者的區別在於外部 RAM 區允許執行指令，而外部設備區則不允許。

0.5GB 的隱秘地帶，屬於 CM3 核心空間，包括了系統級組件，內部私有外設總線 s，外部私有外設總線 s，以及由提供者定義的系統外設。
私有外設總線有兩條：
    AHB 私有外設總線，只用於 CM3 內部的 AHB 外設，它們是：NVIC, FPB, DWT 和 ITM。
    APB 私有外設總線，既用於 CM3 內部的 APB 設備，也用於外部設備（這里的“外部”是對內核而言）。 CM3 允許器件制造商再添加一些片上 APB 外設到 APB 私有總線上，它們通過 ABP 接口來訪問。

CM3 中的 MPU 是選配的，由芯片制造商決定是否配上。
上述的存儲器映射只是個粗線條的模板，半導體廠家會提供更展開的圖示，來表明芯片中片上外設的具體分布， RAM 與 ROM 的容量和位置信息。

 

存儲器訪問屬性

CM3 在定義了存儲器映射之外，還為存儲器的訪問規定了 4 種屬性，分別是：

• 可否緩沖(Bufferable)
• 可否緩存(Cacheable)
• 可否執行(Executable)
• 可否共享(Sharable)

CM3 片內沒有配備緩存，也沒有緩存控制器，但是允許在外部添加緩存。通常，如果提供了外部內存，芯片制造商還要附加一個內存控制器，它可以根據可否緩存的設置，來管理對片內和片外 RAM 的訪問操作。如果配了 MPU，則可以通過它配置不同的存儲區，並且覆蓋缺省的訪問屬性。

• 代碼區（0x0000_0000‐ 0x1FFF_FFFF）。該區是可以執行指令的，緩存屬性為 WT（“寫通”，Write Through），即不可以緩存。此區亦可寫數據。在此區上的數據操作是通過數據總線接口的（讀數據使用 D‐Code，寫數據使用 System），且在此區上的寫操作是緩沖的。
• SRAM 區（0x2000_0000 – 0x3FFF_FFFF）。此區用於片內 SRAM，寫操作是緩沖的，並且可以選擇 WB‐WA(Write Back, Write Allocated)緩存屬性。此區亦可以執行指令，以允許把代碼拷貝到內存中執行——常用於固件升級等維護工作。
• 片上外設區(0x4000_0000 – 0x5FFF_FFFF)。該區用於片上外設，因此是不可緩存的，也不可以在此區執行指令（這也稱為 eXecute Never, XN）。
• 外部 RAM 區的前半段（0x6000_0000 ‐ 0x7FFF_FFFF）。該區用於片外 RAM，可緩存（緩FF_FFFF）。並且可以執行指令。
• 外部 RAM 區的后半段（0x8000_0000 – 0x9FFF_FFFF)。除了不可緩存(WT)外，同前半段。
• 外部外設區的前半段(0xA000_0000 – 0xBFFF_FFFF)。用於片外外設的寄存器，也用於多核系統中的共享內存（需要嚴格按順序操作，即不可緩沖）。該區也是個不可執行區。外部外設區的后半段(0xC000_0000 – 0xDFFF_FFFF)。目前與前半段的功能完全一致。
• 系統區(0xE000_0000 – 0xFFFF_FFFF)。此區是私有外設和供應商指定功能區。此區不可執行代碼。系統區涉及到很多關鍵部位，因此訪問都是嚴格序列化的（不可緩存，不可緩沖）。而供應商指定功能區則是可以緩存和緩沖的。

 存儲器缺省訪問權限

CM3 有一個缺省的存儲訪問權限，它能防止用戶代碼訪問系統控制存儲空間，保護NVIC、MPU等關鍵部件。缺省訪問許可在下列條件時生效：1）沒有配備 MPU 2）配備了 MPU，但MPU未使能。

 位帶操作

位帶操作，可以使用普通的加載/存儲指令來對單一的比特進行讀寫。在CM3中中，有兩個區中實現了位帶。其中一個是 SRAM 區的最低 1MB 范圍，第二個則是片內外設區的最低 1MB 范圍。這兩個區中的地址除了可以像普通的 RAM 一樣使用外，它們還都有自己的“位帶別名區”，位帶別名區把每個比特膨脹成一個 32 位的字。當你通過位帶別名區訪問這些字時，就可以達到訪問原始比特的目的。

 

 

 位帶操作的優勢

通過GPIO控制LED點亮或者熄滅；對共享資源的互鎖訪問。

端模式

在 CM3 中， 是在復位時確定使用哪種端模式的，且運行時不得更改。指令預取永遠使用小端模式，在配置控制存儲空間的訪問也永遠使用小端模式（NVIC），另外外部私有總線地址也只使用小端模式。

存儲保護單元MPU

在Cortex-M3處理器中可以選配一個存儲器保護單元（MPU），它可以實施對存儲器（主要是內存和外設寄存器）的保護，從而使軟件更加健壯和可靠。如果打算啟用MPU，則在使用前，必須根據需要對其編程。如果沒有啟用MPU，則等同於系統中沒有配MPU。 MPU有如下的能力可以提高系統的可靠性：

1. 阻止用戶應用程序破壞操作系統使用的數據。
2. 阻止一個任務訪問其它任務的數據區，從而把任務隔開。
3. 可以把關鍵數據區設置為只讀，從根本上消除了被破壞的可能。
4. 檢測意外的存儲訪問，如，堆棧溢出，數組越界。
5. 此外，還可以通過MPU設置存儲器regions的其它訪問屬性，比如，是否緩區，是否緩沖等。

MPU在執行其功能時，是以所謂的“region”為單位的。一個region其實就是一段連續的地址，只是它們的位置和范圍都要滿足一些限制（對齊方式，最小容量等）。 CM3的MPU共支持8個regions，個數有限。允許啟用一個“背景region”（即沒有MPU時的全部地址空間），不過它是只能由特權級享用。在啟用MPU后，就不得再訪問定義之外的地址區間，也不得訪問未經授權的region。否則，將以“訪問違例”處理，觸發MemManage fault。MPU定義的regions可以相互交迭。如果某塊內存落在多個region中，則訪問屬性和權限將由編號最大的region來決定。比如，若1號region與4號region交迭，則交迭的部分受4號region控制。背景region與其他region重合的部分，就要受各region的限制。