第6章 總線系統(tǒng)

1、第第6章章 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng)Cortex-M3處理器使用一個(gè)處理器使用一個(gè) 3級(jí)流水線。流水線的級(jí)流水線。流水線的3個(gè)級(jí)分別是個(gè)級(jí)分別是：取指，解碼和執(zhí)行。：取指，解碼和執(zhí)行。讀取讀取PC時(shí)，會(huì)返回當(dāng)前指令地址時(shí)，會(huì)返回當(dāng)前指令地址+4的值。這個(gè)偏移量總是的值。這個(gè)偏移量總是4，不管是執(zhí)行不管是執(zhí)行16位指令還是位指令還是32位指令，這就保證了在位指令，這就保證了在Thumb和和Thumb2之間的一致性。之間的一致性。26.1流水線流水線36.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖 圖 Cortex-M3處理器系統(tǒng)方框圖 縮寫(xiě) 含義 NVIC 嵌套向量中斷控制器 SYSTICK Timer 一個(gè)簡(jiǎn)易的周期定時(shí)器

2、，用于提供時(shí)基，亦被操作系統(tǒng)所使用 MPU 存儲(chǔ)器保護(hù)單元（可選） CM3BusMatrix 內(nèi)部的AHB互連 AHB to APB 把AHB轉(zhuǎn)換為APB的總線橋 SW-DP/SWJ-DP 串行線調(diào)試端口/串行線JTAG 調(diào)試端口。通過(guò)串行線調(diào)試協(xié)議或者是傳統(tǒng)的JTAG協(xié)議（專(zhuān)用于SWJ-DP），都可以用于實(shí)現(xiàn)與調(diào)試接口的連接 AHB-AP AHB訪問(wèn)端口，它把串行線/SWJ接口的命令轉(zhuǎn)換成AHB數(shù)據(jù)傳送 ETM 嵌入式跟蹤宏單元（可選組件），調(diào)試用。 用于處理指令跟蹤 DWT 數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)及跟蹤單元，調(diào)試用。這是一個(gè)處理數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)功能的模塊 ITM 儀器化跟蹤宏單元 TPIU 跟蹤單元的接口單

3、元。所有跟蹤單元發(fā)出的調(diào)試信息都要先送給它，它再 轉(zhuǎn)發(fā)給外部跟蹤捕獲硬件的。 FPB Flash地址重載及斷點(diǎn)單元 ROM表 一個(gè)小的查找表，其中存儲(chǔ)了配置信息 46.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖CM3Core：Cortex-M3處理器的中央處理核心處理器的中央處理核心 嵌套向量中斷控制器嵌套向量中斷控制器NVIC：NVIC是一個(gè)在是一個(gè)在CM3中內(nèi)建的中斷中內(nèi)建的中斷控制器。中斷的具體路數(shù)由芯片廠商定義?？刂破?。中斷的具體路數(shù)由芯片廠商定義。NVIC是與是與CPU緊緊耦合的，它還包含了若干個(gè)系統(tǒng)控制寄存器。耦合的，它還包含了若干個(gè)系統(tǒng)控制寄存器。NVIC還采用了還采用了向量中斷的機(jī)制。在中斷發(fā)生時(shí)，

4、它會(huì)自動(dòng)取出對(duì)應(yīng)的服務(wù)例向量中斷的機(jī)制。在中斷發(fā)生時(shí)，它會(huì)自動(dòng)取出對(duì)應(yīng)的服務(wù)例程入口地址，并且直接調(diào)用，無(wú)需軟件判定中斷源，縮短中斷程入口地址，并且直接調(diào)用，無(wú)需軟件判定中斷源，縮短中斷延時(shí)。延時(shí)。 SysTick定時(shí)器：系統(tǒng)定時(shí)器是一個(gè)非?；镜牡褂?jì)時(shí)定時(shí)器，定時(shí)器：系統(tǒng)定時(shí)器是一個(gè)非?；镜牡褂?jì)時(shí)定時(shí)器，用于在每隔一定的時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)中斷，即使是系統(tǒng)在睡眠模式用于在每隔一定的時(shí)間產(chǎn)生一個(gè)中斷，即使是系統(tǒng)在睡眠模式下也能工作。它使得下也能工作。它使得OS在各在各CM3器件之間的移植中不必修改器件之間的移植中不必修改系統(tǒng)定時(shí)器的代碼，移植工作一下子容易多了。系統(tǒng)定時(shí)器的代碼，移植工作一下子容易多

5、了。SysTick定時(shí)器定時(shí)器也是實(shí)現(xiàn)在也是實(shí)現(xiàn)在NVIC內(nèi)部的。內(nèi)部的。56.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖存儲(chǔ)器保護(hù)單元：存儲(chǔ)器保護(hù)單元：MPU是一個(gè)選配的單元，如果有，則它可是一個(gè)選配的單元，如果有，則它可以把存儲(chǔ)器分成一些以把存儲(chǔ)器分成一些 regions，并分別予以保護(hù)。例如，它可，并分別予以保護(hù)。例如，它可以讓某些以讓某些 regions 在用戶(hù)級(jí)下變成只讀，從而阻止了一些用戶(hù)在用戶(hù)級(jí)下變成只讀，從而阻止了一些用戶(hù)程序破壞關(guān)鍵數(shù)據(jù)。程序破壞關(guān)鍵數(shù)據(jù)。 BusMatrix：BusMatrix是是CM3內(nèi)部總線系統(tǒng)的核心。它是一內(nèi)部總線系統(tǒng)的核心。它是一個(gè)個(gè)AHB互連的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)它可以讓數(shù)據(jù)在不

6、同的總線之間并互連的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)它可以讓數(shù)據(jù)在不同的總線之間并行傳送（只要兩個(gè)總線主機(jī)不試圖訪問(wèn)同一塊內(nèi)存區(qū)域）。行傳送（只要兩個(gè)總線主機(jī)不試圖訪問(wèn)同一塊內(nèi)存區(qū)域）。BusMatrix還提供了附加的數(shù)據(jù)傳送管理設(shè)施，包括一個(gè)寫(xiě)緩還提供了附加的數(shù)據(jù)傳送管理設(shè)施，包括一個(gè)寫(xiě)緩沖以及一個(gè)按位操作的邏輯。沖以及一個(gè)按位操作的邏輯。 AHB to APB Bridge：是一個(gè)總線橋，用于把若干個(gè)：是一個(gè)總線橋，用于把若干個(gè)APB設(shè)備設(shè)備連接到連接到CM3處理器的私有外設(shè)總線上。這些處理器的私有外設(shè)總線上。這些 APB設(shè)備常見(jiàn)于設(shè)備常見(jiàn)于調(diào)試組件。調(diào)試組件。CM3還允許芯片廠商把附加的還允許芯片廠商把附加的

7、APB設(shè)備掛在這條設(shè)備掛在這條APB總線上，并通過(guò)總線上，并通過(guò)APB接入其外部私有外設(shè)總線。接入其外部私有外設(shè)總線。66.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖SW-DP/SWJ-DP：串行線調(diào)試端口（：串行線調(diào)試端口（SW-DP）/串口線串口線JTAG調(diào)試調(diào)試端口（端口（SWJ-DP）都與）都與AHB 訪問(wèn)端口（訪問(wèn)端口（AHB-AP）協(xié)同工作，以）協(xié)同工作，以使外部調(diào)試器可以發(fā)起使外部調(diào)試器可以發(fā)起AHB上的數(shù)據(jù)傳送，從而執(zhí)行調(diào)試活動(dòng)。上的數(shù)據(jù)傳送，從而執(zhí)行調(diào)試活動(dòng)。SWJ-DP支持串行線協(xié)議和支持串行線協(xié)議和JTAG協(xié)議，而協(xié)議，而SW-DP只支持串行線只支持串行線協(xié)議。協(xié)議。 AHB-AP： AHB訪

8、問(wèn)端口通過(guò)少量的寄存器，提供了對(duì)訪問(wèn)端口通過(guò)少量的寄存器，提供了對(duì)CM3所有所有存儲(chǔ)器的訪問(wèn)機(jī)能。該功能塊由存儲(chǔ)器的訪問(wèn)機(jī)能。該功能塊由SW-DP/SWJ-DP通過(guò)一個(gè)通用調(diào)通過(guò)一個(gè)通用調(diào)試接口（試接口（DAP）來(lái)控制。當(dāng)外部調(diào)試器需要執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)候，就）來(lái)控制。當(dāng)外部調(diào)試器需要執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)候，就要通過(guò)要通過(guò)SW-DP/SWJ-DP來(lái)訪問(wèn)來(lái)訪問(wèn)AHB-AP，再由，再由AHB-AP產(chǎn)生所需產(chǎn)生所需的的AHB數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送。 76.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖嵌入式跟蹤宏單元嵌入式跟蹤宏單元ETM：一個(gè)選配件，：一個(gè)選配件，ETM用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指令用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指令跟蹤，跟蹤，ETM的控制寄存器是映射到主

9、地址空間上的，因此調(diào)試器的控制寄存器是映射到主地址空間上的，因此調(diào)試器可以通過(guò)可以通過(guò)DAP來(lái)控制它。來(lái)控制它。 數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)及跟蹤單元數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)及跟蹤單元DWT：通過(guò)：通過(guò)DWT，可以設(shè)置數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)，可以設(shè)置數(shù)據(jù)觀察點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)地址或數(shù)據(jù)的值匹配了觀察點(diǎn)時(shí)，就說(shuō)產(chǎn)生了一次。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)地址或數(shù)據(jù)的值匹配了觀察點(diǎn)時(shí)，就說(shuō)產(chǎn)生了一次匹配命中事件。匹配命中事件可以用于產(chǎn)生一個(gè)觀察點(diǎn)事件，后匹配命中事件。匹配命中事件可以用于產(chǎn)生一個(gè)觀察點(diǎn)事件，后者能激活調(diào)試器以產(chǎn)生數(shù)據(jù)跟蹤信息，或者讓者能激活調(diào)試器以產(chǎn)生數(shù)據(jù)跟蹤信息，或者讓ETM聯(lián)動(dòng)。聯(lián)動(dòng)。 儀器化跟蹤宏單元儀器化跟蹤宏單元ITM：軟件可以控制該模塊

10、直接把消息送給：軟件可以控制該模塊直接把消息送給TPIU；還可以讓?zhuān)贿€可以讓DWT匹配命中事件通過(guò)匹配命中事件通過(guò)ITM產(chǎn)生數(shù)據(jù)跟蹤包，產(chǎn)生數(shù)據(jù)跟蹤包，并把它輸出到一個(gè)跟蹤數(shù)據(jù)流中。并把它輸出到一個(gè)跟蹤數(shù)據(jù)流中。 86.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖跟蹤端口的接口單元跟蹤端口的接口單元TPIU：TIPU用于和外部的跟蹤硬件（如跟用于和外部的跟蹤硬件（如跟蹤端口分析儀）交互。在蹤端口分析儀）交互。在 CM3 的內(nèi)部，跟蹤信息都被格式化成的內(nèi)部，跟蹤信息都被格式化成“高級(jí)跟蹤總線（高級(jí)跟蹤總線（ATB）包）包”，TPIU 重新格式化這些數(shù)據(jù)，從重新格式化這些數(shù)據(jù)，從而讓外部設(shè)備能夠捕捉到它們。而讓外部設(shè)備能

11、夠捕捉到它們。 FPB：FPB提供提供flash地址重載和斷點(diǎn)功能。地址重載和斷點(diǎn)功能。Flash地址重載是指：地址重載是指：當(dāng)當(dāng)CPU訪問(wèn)某條指令時(shí)，若該地址在訪問(wèn)某條指令時(shí)，若該地址在FPB中中“掛了號(hào)掛了號(hào)”，則將把，則將把該地址重映射到另一個(gè)地址，后者亦在編程該地址重映射到另一個(gè)地址，后者亦在編程FPB時(shí)指出。結(jié)果，時(shí)指出。結(jié)果，實(shí)際上是從映射過(guò)的地址處取指。此外，匹配的地址還能用來(lái)觸實(shí)際上是從映射過(guò)的地址處取指。此外，匹配的地址還能用來(lái)觸發(fā)斷點(diǎn)事件。發(fā)斷點(diǎn)事件。Flash地址重載功能對(duì)于測(cè)試工作太有用了。例如，地址重載功能對(duì)于測(cè)試工作太有用了。例如，通過(guò)使用通過(guò)使用FPB來(lái)改變程序流

12、程，就可以給那些不能在普通情形下來(lái)改變程序流程，就可以給那些不能在普通情形下使用的設(shè)備添加診斷程序代碼。使用的設(shè)備添加診斷程序代碼。96.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖ROM表：它只是一個(gè)簡(jiǎn)單的查找表。提供了存儲(chǔ)器的表：它只是一個(gè)簡(jiǎn)單的查找表。提供了存儲(chǔ)器的“注冊(cè)注冊(cè)”信息，這些信息指出，在這塊信息，這些信息指出，在這塊CM3芯片中包括了哪些系統(tǒng)設(shè)備和芯片中包括了哪些系統(tǒng)設(shè)備和調(diào)試組件，以及它們的位置。當(dāng)調(diào)試系統(tǒng)定位各調(diào)試組件時(shí)，它調(diào)試組件，以及它們的位置。當(dāng)調(diào)試系統(tǒng)定位各調(diào)試組件時(shí)，它需要找出相關(guān)寄存器在存儲(chǔ)器中的地址，這些信息由此表給出。需要找出相關(guān)寄存器在存儲(chǔ)器中的地址，這些信息由此表給出。106

13、.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖CM3 處理器的總線接口是基于處理器的總線接口是基于 AHB-Lite 和和 APB 協(xié)議的。協(xié)議的。 I-Code總線：總線： I-Code 總線是一條基于總線是一條基于 AHB-Lite 總線協(xié)議的總線協(xié)議的 32 位總線，負(fù)責(zé)位總線，負(fù)責(zé)在在 0 x0000_0000 0 x1FFF_FFFF 之間的取指操作。取指以字之間的取指操作。取指以字的長(zhǎng)度執(zhí)行，即使是對(duì)于的長(zhǎng)度執(zhí)行，即使是對(duì)于 16 位指令也如此。因此位指令也如此。因此 CPU 內(nèi)核內(nèi)核可以一次取出兩條可以一次取出兩條 16 位位 Thumb 指令。指令。 116.3 總線接口總線接口 D-Code總線總線

14、 ： D-Code 總線也是一條基于總線也是一條基于 AHB-Lite 總線協(xié)議的總線協(xié)議的 32 位總線，位總線，負(fù)責(zé)在負(fù)責(zé)在 0 x0000_0000 0 x1FFF_FFFF 之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作。處之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)操作。處理器的總線接口會(huì)把非對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳送都轉(zhuǎn)換成對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳理器的總線接口會(huì)把非對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳送都轉(zhuǎn)換成對(duì)齊的數(shù)據(jù)傳送。連接到送。連接到 D-Code 總線上的任何設(shè)備都只需支持總線上的任何設(shè)備都只需支持 AHB-Lite 的的對(duì)齊訪問(wèn)，不需要支持非對(duì)齊訪問(wèn)。對(duì)齊訪問(wèn)，不需要支持非對(duì)齊訪問(wèn)。 126.3 總線接口總線接口系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 ：一條基于一條基于 AHB-Lite 總線

15、協(xié)議的總線協(xié)議的 32 位總線，負(fù)責(zé)在位總線，負(fù)責(zé)在 0 x2000_0000 0 xDFFF_FFFF 和和 0 xE010_0000 0 xFFFF_FFFF 之間的所有數(shù)據(jù)傳送，取指和數(shù)據(jù)訪問(wèn)都算上。和之間的所有數(shù)據(jù)傳送，取指和數(shù)據(jù)訪問(wèn)都算上。和 D-Code 總總線一樣，所有的數(shù)據(jù)傳送都是對(duì)齊的。線一樣，所有的數(shù)據(jù)傳送都是對(duì)齊的。136.3 總線接口總線接口外部私有外設(shè)總線：外部私有外設(shè)總線： 基于基于 APB 總線協(xié)議的總線協(xié)議的 32 位總線。此總線來(lái)負(fù)責(zé)位總線。此總線來(lái)負(fù)責(zé) 0 xE004_0000 0 xE00F_FFFF 之間的私有外設(shè)訪問(wèn)。鑒于此之間的私有外設(shè)訪問(wèn)。鑒于此

16、APB 存儲(chǔ)空間的存儲(chǔ)空間的一部分已經(jīng)被一部分已經(jīng)被 TPIU、ETM 以及以及 ROM 表用掉了，就只留下了表用掉了，就只留下了 0 xE004_2000-E00F_F000 這個(gè)區(qū)間用于配接私有外設(shè)。這個(gè)區(qū)間用于配接私有外設(shè)。 146.3 總線接口總線接口調(diào)試訪問(wèn)端口總線調(diào)試訪問(wèn)端口總線 ： 調(diào)試訪問(wèn)端口總線接口是一條基于調(diào)試訪問(wèn)端口總線接口是一條基于“增強(qiáng)型增強(qiáng)型 APB 規(guī)格規(guī)格”的的 32 位總線，它專(zhuān)用于掛接調(diào)試接口，例如位總線，它專(zhuān)用于掛接調(diào)試接口，例如 SWJ-DP 和和 SW-DP。 156.3 總線接口總線接口其它接口：這些接口的信號(hào)都不大可能會(huì)引出到引腳上，而只其它接口：

17、這些接口的信號(hào)都不大可能會(huì)引出到引腳上，而只用于連接用于連接 SoC 不同的部分。不同的部分。166.3 總線接口總線接口信號(hào)組 功能 多處理機(jī)通信（TXEV, RXEV） 多處理機(jī)之間的簡(jiǎn)單任務(wù)同步信號(hào) 休眠信號(hào) (SLEEPING, SLEEPDEEP) 電源管理所用的休眠狀態(tài) 中斷狀態(tài)信號(hào) (ETMINTNUM, ETMINTSTATE, CURRPRI) 中斷操作的狀態(tài)，用于ETM操作和調(diào)試 復(fù)位請(qǐng)求(SYSRESETREQ) 來(lái)自NVIC的復(fù)位請(qǐng)求輸出 鎖定(Lockup)和停機(jī)(Halted)狀態(tài) (LOCKUP, HALTED) 指示處理器進(jìn)入了鎖定狀態(tài)（由在硬fault和 NM

18、I服務(wù)例程的執(zhí)行錯(cuò)誤導(dǎo)致），或者指示處理器被喊停（因?yàn)檎{(diào)試動(dòng)作導(dǎo)致） 端輸入(ENDIAN) 在內(nèi)核復(fù)位時(shí)設(shè)置端模式 ETM接口 連接到嵌入式跟蹤宏單元（用于指令跟蹤） ITM的ATB接口 高級(jí)跟蹤總線（ATB）是ARM CoreSight調(diào)試架構(gòu)下的一個(gè)總線協(xié)議，用于跟蹤數(shù)據(jù)的傳送。在這里，該接口負(fù)責(zé)把來(lái)自ITM的跟蹤數(shù)據(jù)輸出到TPIU 外部外部 PPB 接口是基于高級(jí)外設(shè)總線接口是基于高級(jí)外設(shè)總線(APB)協(xié)議構(gòu)造的。用于非共協(xié)議構(gòu)造的。用于非共享的系統(tǒng)設(shè)備，例如調(diào)試組件。享的系統(tǒng)設(shè)備，例如調(diào)試組件。為了支持為了支持 CoreSight 設(shè)備，該接口又包含了稱(chēng)為設(shè)備，該接口又包含了稱(chēng)為 “

19、PADDR31”的的信號(hào)，給出傳送的發(fā)源地。若該信號(hào)為信號(hào)，給出傳送的發(fā)源地。若該信號(hào)為 0，則表示是運(yùn)行在，則表示是運(yùn)行在 CM3 內(nèi)部的軟件產(chǎn)生了傳送操作；若為內(nèi)部的軟件產(chǎn)生了傳送操作；若為 1，則表示是調(diào)試硬件產(chǎn)生了，則表示是調(diào)試硬件產(chǎn)生了傳送操作。傳送操作。 該總線是專(zhuān)用的，不服務(wù)于普通的外設(shè)。該總線是專(zhuān)用的，不服務(wù)于普通的外設(shè)。 176.4 外部私有外設(shè)總線（外部私有外設(shè)總線（PPB）外部外部 PPB 不支持非對(duì)齊訪問(wèn)（因?yàn)樵摽偩€的寬度是不支持非對(duì)齊訪問(wèn)（因?yàn)樵摽偩€的寬度是 32 位并且是位并且是基于基于 APB 的，當(dāng)你在為該存儲(chǔ)區(qū)域設(shè)計(jì)外設(shè)時(shí)，必須確保所有的，當(dāng)你在為該存儲(chǔ)區(qū)域設(shè)

20、計(jì)外設(shè)時(shí)，必須確保所有的寄存器地址都是按字對(duì)齊的）。的寄存器地址都是按字對(duì)齊的）。在編寫(xiě)這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，最好讓所有的訪問(wèn)都使用字的長(zhǎng)在編寫(xiě)這些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，最好讓所有的訪問(wèn)都使用字的長(zhǎng)度。度。PPB 訪問(wèn)永遠(yuǎn)是小端的。訪問(wèn)永遠(yuǎn)是小端的。 186.4 外部私有外設(shè)總線（外部私有外設(shè)總線（PPB）196.5 連接方式模型連接方式模型 圖 Cortex-M3總線連接樣板范例 由于代碼存儲(chǔ)區(qū)既可以由指令指令總線由于代碼存儲(chǔ)區(qū)既可以由指令指令總線(I-Code)訪問(wèn)（當(dāng)從此訪問(wèn)（當(dāng)從此區(qū)取指時(shí)），也可以被數(shù)據(jù)總線（區(qū)取指時(shí)），也可以被數(shù)據(jù)總線（D-Code）訪問(wèn)（當(dāng)在此區(qū)）訪問(wèn)（當(dāng)在此區(qū)訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)），需要在中間插入一個(gè)總線開(kāi)關(guān)，稱(chēng)為訪問(wèn)數(shù)據(jù)時(shí)），需要在中間插入一個(gè)總線開(kāi)關(guān)，稱(chēng)為“總線總線矩陣矩陣”；或者使用一個(gè)；或者使用一個(gè)AHB總線復(fù)用器?？偩€復(fù)用器。如果使用了總線矩陣，則閃存和附加的如果使用了總線矩陣，則閃存和附加的 SRAM（如果有的話（如果有的話）可以被）可以被 I-Code和和D-Code訪問(wèn)?？偩€矩陣可以在訪問(wèn)?？偩€矩陣可以在ARM的的AMBA開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)包ADK（ADK，AMBA組件和示例系統(tǒng)的集合，組件和示例系統(tǒng)的集合，使