STMicroelectronics 系列：STM32F407 (基于 Cortex-M4)_（2）.Cortex-M4架构详解.docxVIP

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Cortex-M4架构详解

1.概述

Cortex-M4是ARM公司推出的一款高性能、低功耗的嵌入式处理器架构，广泛应用于需要实时处理和高精度计算的嵌入式系统中。Cortex-M4基于ARMv7-M架构，支持Thumb-2指令集，并集成了数字信号处理（DSP）功能和浮点运算单元（FPU）。本节将详细介绍Cortex-M4架构的各个组成部分及其工作原理。

2.CPU核心

2.1总线接口

Cortex-M4核心通过多个总线接口与外部设备进行通信。主要的总线接口包括：

AXI4-AMBA(AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture)：用于高速数据传输。

AHB-Lite(AdvancedHigh-performanceBus)：用于连接外设和存储器。

APB(AdvancedPeripheralBus)：用于连接低速外设。

2.1.1AXI4-AMBA

AXI4-AMBA是一种高性能的总线协议，支持多主多从架构，适用于高速数据传输。它具有以下特点：

突发传输：支持连续数据块的传输，提高数据吞吐量。

分离读写：读和写操作可以独立进行，减少总线竞争。

地址和数据分离：地址和数据传输在不同的总线周期进行，提高带宽利用率。

2.1.2AHB-Lite

AHB-Lite是一种简化版的AHB协议，适用于连接高速外设和存储器。它具有以下特点：

单周期访问：支持单周期读写操作，提高访问速度。

固定地址映射：地址映射固定，简化设计。

简单的事务管理：事务管理简单，适合嵌入式系统。

2.1.3APB

APB是一种低速总线协议，适用于连接低速外设。它具有以下特点：

低功耗：功耗较低，适合低速外设。

简单的地址映射：地址映射简单，易于实现。

单周期访问：支持单周期读写操作。

2.2指令集

Cortex-M4支持Thumb-2指令集，该指令集结合了16位和32位指令的优点，提供了高性能和高代码密度。Thumb-2指令集包括以下几类：

基本指令：如加载、存储、算术和逻辑运算等。

DSP指令：支持复数运算、饱和运算和MAC（Multiply-Accumulate）操作等。

浮点运算指令：支持单精度和双精度浮点运算。

2.2.1基本指令

基本指令是Cortex-M4指令集的基础，包括加载、存储、算术和逻辑运算等。以下是几个基本指令的示例：

//加载指令

LDRR1,[R2]//将R2指向的地址中的数据加载到R1

//存储指令

STRR1,[R2]//将R1中的数据存储到R2指向的地址

//算术运算指令

ADDR1,R2,R3//R1=R2+R3

//逻辑运算指令

ANDR1,R2,R3//R1=R2R3

2.2.2DSP指令

Cortex-M4支持DSP指令，可以高效地进行数字信号处理。以下是几个DSP指令的示例：

//复数乘法

VMUL.F32S0,S1,S2//S0=S1*S2

//饱和运算

QADDR1,R2,R3//R1=R2+R3，结果饱和到32位范围

//MAC操作

MLAR1,R2,R3,R4//R1=R1+(R2*R3)

2.2.3浮点运算指令

Cortex-M4支持浮点运算指令，可以进行单精度和双精度浮点运算。以下是几个浮点运算指令的示例：

//单精度浮点运算

FADDS0,S1,S2//S0=S1+S2

//双精度浮点运算

FADDD0,D1,D2//D0=D1+D2

3.内存系统

Cortex-M4的内存系统设计旨在提供高效的存储访问和管理。主要包括以下部分：

内存映射：定义了各种内存的地址范围。

内存保护：提供了内存保护机制，防止非法访问。

缓存：支持数据和指令缓存，提高访问速度。

3.1内存映射

Cortex-M4的内存映射定义了各种内存的地址范围，包括闪存、SRAM、外设寄存器等。以下是一个典型的内存映射示例：

地址范围|描述|

|—————-|——————–|

0x0000_0000-0x0001_FFFF|闪存（FlashMemory）|

0x2000_0000-0x2003_FFFF|SRAM（StaticRandomAccessMemory）|

0x4000_0000-0x400F_FFFF|外设寄存器（PeripheralRegisters）|

3.2内存保护

Cortex-M4提供