代码收藏家 单片机学习之cortex芯片核心技术解析
关联：ACMP模拟比较器、CORETEXM3寄存器组、操作模式和特权级、嵌套向量中断控制器、存储器映射
一.ACMP（Analog Comparator，模拟比较器）
是一种电子电路
ACMP通常用于模拟信号的检测、数字化和触发其他电路的动作。
主要功能：
ACMP的主要功能是将模拟信号转换为数字信号。它有两个输入端，一个是正输入（+）端，另一个是负输入（–）端。当正输入端的电压大于负输入端时，比较器输出高电平；反之，则输出低电平。
类型：
ACMP有多种类型，常见的有：
应用场景：
ACMP广泛应用于各种电子设备中，以下是一些常见的应用：
- 过压或欠压检测：通过设定一个阈值，监测系统电压是否超出预定范围，触发报警或进行保护。
- 零交叉检测：用于交流电源的零交叉点检测，通常用于功率调节电路中。
- 信号比较和转换：将模拟信号（如传感器输出的电压）与参考电压进行比较，并输出数字信号（如在ADC之前的前端滤波）。
- 脉冲宽度调制（PWM）生成：通过比较一个周期性的信号（例如三角波）与一个参考信号，生成PWM波形，用于电源控制、电机控制等。
- 模拟信号的开关控制：比如在自动化控制系统中，ACMP可以用来根据输入信号的变化决定开关状态。
二.Cortex‐M3寄存器组
Cortex‐M3 处理器拥有 R0‐R15 的寄存器组。其中 R13 作为堆栈指针 SP。SP 有两个，但在同一 时刻只能有一个可以看到，这也就是所谓的“banked”寄存器。
R0‐R12 都是 32 位通用寄存器，用于数据操作。但是注意：绝大多数16位Thumb指令只能访 问R0‐R7，而32位Thumb‐2指令可以访问所有寄存器。
Banked R13: 两个堆栈指针
Cortex‐M3 拥有两个堆栈指针，然而它们是banked，因此任一时刻只能使用其中的一个。
主堆栈指针（MSP）：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）：由用户的应用程序代码使用。 堆栈指针的最低两位永远是0，这意味着堆栈总是4字节对齐的。
R14：连接寄存器
当呼叫一个子程序时，由R14存储返回地址
不像大多数其它处理器，ARM为了减少访问内存的次数（访问内存的操作往往要3个以上指令周期，带MMU 和cache 的就更加不确定了），把返回地址直接存储在寄存器中。这样足以使很多只有1级子程序调用的代码无需访 问内存（堆栈内存），从而提高了子程序调用的效率。
R15：程序计数寄存器
指向当前的程序地址。如果修改它的值，就能改变程序的执行流
三.操作模式和特权极别（Control寄存器）
Cortex‐M3 处理器支持两种处理器的操作模式，还支持两级特权操作。 两种操作模式分别为：处理者模式(handler mode，以后不再把handler中译——译注)和线程模式（thread mode）。引入两个模式的本意，是用于区别普通应用程序的代码和异常服务例程的代码 ——包括中断服务例程的代码。 Cortex‐M3 的另一个侧面则是特权的分级——特权级和用户级。这可以提供一种存储器访问的保护机制，使得普通的用户程序代码不能意外地，甚至是恶意地执行涉及到要害的操作。处理器支持两种特权级，这也是一个基本的安全模型。
在CM3运行主应用程序时（线程模式），既可以使用特权级，也可以使用用户级；但是异常服 务例程必须在特权级下执行。复位后，处理器默认进入线程模式，特权极访问。在特权级下，程序 可以访问所有范围的存储器（如果有MPU，还要在MPU规定的禁地之外），并且可以执行所有指令。
用户级进入特权级
用户级的程序不能简简单单地试图改写CONTROL寄存器 就回到特权级，它必须先“申诉”：执行一条系统调用指令(SVC)。这会触发 SVC 异常，然后由异常 服务例程（通常是操作系统的一部分）接管，如果批准了进入，则异常服务例程修改CONTROL寄存 器，才能在用户级的线程模式下重新进入特权级。从用户级进入特权级的唯一途径就是异常
四.内建的嵌套向量中断控制器
嵌套向量中断控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)
Cortex‐M3 在内核水平上搭载了一颗中断控制器——嵌套向量中断控制器NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)。它与内核有很深的“私交”——与内核是紧耦合的。NVIC提供如下的功能： 可嵌套中断支持 向量中断支持 动态优先级调整支持 中断延迟大大缩短 中断可屏蔽
抢占中断
这些异常都可以被赋予不同的优先级。当前优先级被存储在 xPSR 的专用字段中。当一个异常发生 时，硬件会自动比较该异常的优先级是否比当前的异常优先级更高。如果发现来了更高优先级的异 常，处理器就会中断当前的中断服务例程（或者是普通程序），而服务新来的异常——即立即抢占。
中断处理过程的详细步骤
当中断发生时，STM32 中的处理器会执行以下步骤：
-
自动保存现场：处理器会将当前的执行上下文（寄存器值）自动推送到栈中。具体来说，以下内容会被保存：
- R0 到 R3：这些寄存器通常用作传递参数。
- R12：这个寄存器通常用作通用寄存器。
- LR (Link Register)：保存中断发生前的返回地址。
- PC (Program Counter)：保存当前执行的地址，通常是中断向量表中对应中断的地址。
- xPSR (Program Status Register)：保存处理器的状态，包括条件标志、控制标志和中断状态等。
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进入中断服务例程（ISR）：中断向量会跳转到对应的中断服务例程，执行中断处理。
-
中断处理完成后恢复现场：当中断服务例程执行完毕后，处理器会自动从栈中恢复现场。恢复的内容包括：
- PC：恢复中断发生前的执行位置（返回到中断发生之前的代码位置）。
- xPSR：恢复执行状态。
- R0 到 R3 和 R12：恢复之前的寄存器值。
- LR：恢复中断返回的地址。
-
返回主程序：中断处理完成后，执行返回指令（通常是
bx lr），返回到中断发生前的位置，继续执行主程序。
中断可屏蔽
既可以屏蔽优先级低于某个阈值的中断/异常 (设置 BASEPRI 寄存器)，也可以全体封杀(设 置PRIMASK 和FAULTMASK 寄存器)。这是为了让时间关键（time‐critical）的任务能在死线(deadline， 或曰最后期限)到来前完成，而不被干扰。
五.存储器映射
通过把片上外设的寄存器映射到外设区，就可以简单地以访问 内存的方式来访问这些外设的寄存器，从而控制外设的工作。
特点：
硬件层面：存储器映射通常涉及物理地址和处理器地址之间的映射关系。它会将处理器的地址空间划分成不同的区域，每个区域可能对应一个外设、外部存储器或内存的不同部分。
访问方式：CPU 通过读取或写入特定的地址来访问外部设备或内存。例如，单片机的 GPIO 寄存器、串口（USART）、定时器（Timers）等外设通常通过特定的内存地址进行访问，这些地址就属于存储器映射的一部分。
静态映射：存储器映射在设计时就已经固定好，不会根据数据的访问变化而变化。CPU 通过直接访问内存中的地址来进行读写操作。
作者：q2380957683
