1 架构
开发一款芯片，首先我们需要确定制造它想要实现的功能都有哪些，以及功能与功能间交互的接口标准，即芯片架构；
芯片架构是以指令集架构和存储架构为基础，加上各种功能单元搭建而成；
ARM(Advanced RISC Machine)高级 精简指令集 处理器，简称ARM架构；是嵌入式微处理器的主流芯片架构；
1.1 主流芯片架构
| CPU架构 | 代表芯片 | 指令集架构 | 功能 |
| ARM | ARM | RISC指令集 | 主要用于移动，嵌入式领域；逻辑门少，发热低，so功耗低；搭配哈佛存储结构使用； |
| X86 | intel,AMD | CISC指令集 | 主要是用在电脑CPU上，性能高，速度快；搭配冯诺依曼存储结构使用； |
| MIPS | 龙芯 | RISC指令集 | 用于部分音频处理器，网络设备上和北斗卫星上，市场极小任重道远； |
| RISC-V | RISC-V指令集 | 开源免费的指令集，在国与国意识形态分裂下，前景较好；还在流片试验阶段； |
1.2 指令集架构
通过软件对硬件寄存器进行操作的指令接口标准，称之为指令集架构；
1.2.1 CISC(complex instruction set computer) 复杂指令集；
1.2.2 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 精简指令集；是基于CISC精简优化后得到的指令集架构；
1.2.3 RISC-V指令集；是基于RISC优化后得到的第五代开源免费的指令集架构；
1.3 存储架构
1.3.1 哈佛结构：指令寄存器和数据寄存器存放在不同的内存里，需要分别寻址的CPU结构；
1)代码编译之后相当于指令，这些指令通常会固定存放在单片机的rom的寄存器里，使用指令总线来顺序寻址指令寄存器；
相当于指令寄存器全部划分在一块固定的区域，指令总线和数据总线同时操作该区域的指令寄存器；
2)单片机执行过程中的数据存放在ram的寄存器里，使用地址总线对需要操作的数据寄存器进行寻址，然后使用数据总线传递数据；
相当于数据寄存器全部划分在一块固定的区域，地址总线和数据总线可以同时操作该区域的数据寄存器；
优势：代码安全性较高，效率较高；
1.3.2 冯诺依曼结构：指令寄存器和数据寄存器存放在相同的内存里，不需要分别寻址的CPU结构；
代码A编译之后存放在内存中，该代码A使用的数据A存放在代码A地址后；新的代码B继续放在数据A之后，然后再存放数据B...
指令寄存器的存储区域和数据寄存器的存储区域混在一块区域，也就是说指令总线和地址总线是相同的总线，需要分时复用；
冯诺依曼是早期的cpu结构，执行的速度处理器速度的限制；优势的话。。。可能在处理器速度很快的情况下很快把。。。
1.4 字节存储(endian)顺序
| endian模式 | 功能 | data[31:0]=0x87654321, 地址:0x10,0x11,0x12,0x13 |
| 小端模式 | 数据的低位存放在地址低位中 | data[7:0]存放在0x10中 |
| 大端模式 | 数据的高位存放在地址低位中 | data[31:24]存放在0x10中 |
cortex-m3内核有些指令只使用小端模式存储；
1.5 cortex系列内核
ARM公司作为IP(intellectual property)知识产权服务提供商，专注于ARM架构的芯片设计出售；
以ARM架构为基础的芯片设计是芯片的软件系统核心部分，通常将其称为内核(core system)；
ARM公司推出了多种芯片内核，具体官网，此处我们只了解一下cortex系列内核；STM32采用cortex-M系列内核来具体执行和实现功能；
1) cortex-A系列内核：application系列，专注于高端消费类电子，诸如高通，MTK等的手机芯片；
2) cortex-R系列内核：real-time系列，专注于要求实时性的领域，诸如航空航天之类的；
3) cortex-M系列内核：micro-controller系列，专注于中低端的嵌入式产品，也就是本文接下来要说的系列了；
2 cortex-M3存储器地址映射
ARM的地址总线为32bits；所以存储器的寻址空间为4G；寻址内存最小单元的容量约定俗成为byte；
CM3存储器地址映射在所有的cortex-m3内核的芯片上都是相同的，方便了不同芯片程序的裁剪和移植；
| 地址 | 大小 | 类型 | 功能 |
| 0x0000 0000-0x1fff ffff | 512M bytes | flash | 代码存储区 |
| 0x2000 0000-0x3fff ffff | 512M bytes | SRAM | |
| 0x4000 0000-0x5fff ffff | 512M bytes | 用于存储片上外设 | |
| 0x6000 0000-0x9fff ffff | 1G bytes | 外部RAM | 扩展外部存储器的寻址 |
| 0xa000 0000-0xdfff ffff | 1G bytes | 扩展片外的外设 | |
| 0xe000 0000-0xffff ffff | 512M bytes | 内核相关寄存器，片上调试组件等，AHB总线，APB总线 |
3 cortex-M3内核
cortex-m3为cortex系列推出的第一个内核，发布于2005年；本文就以cortex-m3举例，stm32f1系列使用cortex-m3内核；
cortex-m3为32位处理器内核；数据总线，指令总线，地址总线，寄存器都是32位的，采用哈佛结构总线；
cortex-m3只使用thumb-2指令集；thumb-2指令集包含32bit指令和16bit指令；thumb指令集只包含16bit指令；
以下为cm3内核的架构框图，橙色是内核核心功能，紫色为调试组件，绿色为存储保护单元，蓝色为内部总线与外设的接口；
I-code总线负责指令寻址，D-code总线负责查表等操作；
AHB总线只用于CM3内部的AHB外设，如NVIC,FPB,DWT和ITM；APB总线既用于CM3内部的APB外设，也用于片外扩展的外设；
3.1 CMSIS 程序接口标准
CMSIS全称Cortex-Mx software interface standard，是cortex-M系列内核的API应用程序接口标准；
以下为cm3内核的代码架构分层示意图；分别是用户层的应用程序，实时操作系统层，内核程序接口层(CMSIS标准编写)，硬件寄存器外设层；
Libraries目录下内核代码，将底层寄存器操作封装成API函数，函数格式符合CMSIS标准的格式；CMSIS如下图第三部分所示；
3.2 register bank寄存器
CM3内核拥有一个寄存器组，该寄存器组内共有16个寄存器；以及一些特殊功能寄存器；
3.2.1 寄存器组
| 寄存器 | 寄存器名称 | 可访问指令 | 功能 |
| R0,...,R7 | 通用寄存器 | thumb, thumb-2 | 数据操作，Low registers复位后初始值不定 |
| R8,...,R12 | 通用寄存器 | thumb-2 | 数据操作，High registers复位后初始值不定 |
| R13 | 主堆栈指针 MSP | thumb-2 | main_SP，复位后缺省使用的堆栈指针，用于操作系统内核以及异常处理例程（包括中断服务例程）； |
| 进程堆栈指针 PSP | thumb-2 | process_SP，由用户的应用程序代码使用(用户代码不处于中断时)； | |
| R13寄存器的最低两位被硬件置0，所以内存的地址总是4字节对齐；堆栈指针的切换由硬件自动完成； | |||
| R14 | 连接寄存器 LR | thumb-2 | 调用子函数时，用来存储主调函数的地址；多级调用时会将主调函数的地址存到堆栈中； |
| R15 | 程序计数器 PC | thumb-2 | 存储当前程序运行到的程序地址。如果修改它的值，就能改变程序的执行流； |
3.2.2 特殊功能寄存器
特殊功能寄存器组没有存储器地址，只能使用MRS(读)和MSR(写)指令访问；
| 寄存器 | 寄存器名称 |
功能 |
|||
|
xPSR
|
程序状态字
寄存器组
|
APSR
|
APSR 应用程序状态寄存器：记录 ALU 标志，
IPSR 中断号状态寄存器：当前正服务的中断号，
EPSR 执行状态寄存器：程序执行状态
|
||
|
IPSR
|
|||||
| EPSR | |||||
|
PRIMASK
|
中断屏蔽
寄存器组
|
1bit |
除能所有中断，NMI和hard fault除外； 缺省为0，不除能； |
目的：让实时性要求高的任务能够顺利执行 |
|
|
FAULTMASK
|
1bit |
除能所有fault，NMI不可屏蔽中断除外； 缺省为0，不除能； |
|||
|
BASEPRI
|
9bit
|
除能所有优先级不高于某个阈值的所有中断
|
|||
|
CONTROL
|
控制
寄存器
|
CONTORL[1]
|
1bit |
为0时，都使用MSP堆栈指针；为缺省值；
为1时，thread使用PSP堆栈指针,
handler使用MSP指针；
|
handler模式时，为0，都是使用MSP堆栈， thread模式时，为0或1，分别复用为MSP/PSP堆栈； |
| CONTROL[0] |
1bit
|
0：thread模式处于privileged特权级权限； 1：thread模式处于user级权限 |
当模式处于thread时，使用CONTROL[0]来配置权限 | ||
| 操作模式 | 操作权限 | 操作程序 | 使用的堆栈指针 | 操作配置 |
| thread 线程模式 | 特权级，用户级 | 普通应用程序的操作模式 | PSP/MSP |
根据操作模式和操作权限配置CONTROL[1:0]来修改状态 |
| handler 处理模式 | 特权级 | 异常服务程序的操作模式 | MSP |
| 编号 | 类型 | 优先级 | NVIC表偏移地址 | 功能 |
| 0 |
NA
|
NA
|
0x00
|
表示没有异常在运行，当前地址初始值为MSP复位后的初始值；
|
| 1 | Reset_Handler | -3(最高) | 0x04 | 上电复位 |
| 2 | NMI | -2 | 0x08 | 不可屏蔽中断(外部NMI引脚输入) |
| 3 | hard fault | -1 | 0x0C | 使能所有被除能的fault中断为hard fault |
| 4 | MemManage fault | 可编程 | 0x10 |
存储器管理fault，MPU 访问犯规以及访问非法位置
|
| 5 |
总线 fault
|
0x14 |
总线错误（预取流产（Abort）或数据流产）
|
|
| 6 |
用法(usage)
Fault
|
0x18 |
程序错误的异常 ,通常为指令无效或非法状态转换
|
|
| 7-10 |
保留
|
NA
|
0x1C-0x28
|
NA
|
| 11 |
SVCall
|
可编程
|
0x2C
|
系统服务调用
|
| 12 |
调试监视器
|
0x30 |
调试监视器 (断点，数据观察点，或者是外部调试请求)
|
|
| 13 |
保留
|
NA
|
0x34
|
NA
|
| 14 |
PendSV
|
可编程 | 0x38 |
为系统设备而设的“可悬挂请求”（pendable request）
用来实现中断嵌套时，应把PendSV的优先级编程为最低；
|
| 15 |
SysTick
|
0x3C |
系统滴答定时器
|
|
| 16 |
IRQ #0
|
0x40 |
外中断#0
|
|
| 17 |
IRQ #1
|
0x44 |
外中断#1
|
|
| ... | ... | ... | ... | ... |
| 255 |
IRQ #239
|
可编程 | 0x3FF |
外中断#239
|
| CM3支持11个系统异常中断，5个保留类型，240个外部中断；具体使用看芯片厂商的配置； | ||||
|
Cortex‐M3 在进入异常服务例程时，自动压栈了 R0‐R3, R12, LR, PSR 和 PC，并且在返回时自动弹出它们
|
||||