ARM Cortex-M的技术剖析

每个 Cortex-M 系列处理器都有特定的优点，但全部都受一些基本技术的支持，这些技术使 Cortex-M 处理器能够胜任多种嵌入式应用。

CMSIS
ARM Cortex 微控制器软件接口标准 (CMSIS) 是 Cortex-M 处理器系列的与供应商无关的硬件抽象层。 使用 CMSIS，可以为接口外设、实时操作系统和中间件实现一致且简单的软件接口，从而简化软件的重用、缩短新微控制器开发人员的学习过程，并缩短新产品的上市时间。

深入：嵌套矢量中断控制器 (NVIC)
NVIC 是 Cortex-M 处理器不可或缺的部分，它为处理器提供了卓越的中断处理能力。

Cortex-M 处理器使用一个矢量表，其中包含要为特定中断处理程序执行的函数的地址。接受中断时，处理器会从该矢量表中提取地址。

为了减少门数并增强系统灵活性，Cortex-M 处理器使用一个基于堆栈的异常模型。出现异常时，系统会将关键通用寄存器推送到堆栈上。完成入栈和指令提取后，将执行中断服务例程或故障处理程序，然后自动还原寄存器以使中断的程序恢复正常执行。使用此方法，便无需编写汇编器包装器了（而这是对基于 C 语言的传统中断服务例程执行堆栈操作所必需的），从而使得应用程序的开发变得非常容易。NVIC 支持中断嵌套（入栈），从而允许通过运用较高的优先级来较早地为某个中断提供服务。

在硬件中完成对中断的响应
Cortex-M 系列处理器的中断响应是从发出中断信号到执行中断服务例程的周期数。它包括：

检测中断
背对背或迟到中断的最佳处理（参见下文）
提取矢量地址
将易损坏的寄存器入栈
跳转到中断处理程序
这些任务在硬件中执行，并且包含在为 Cortex-M 处理器报出的中断响应周期时间中。在其他许多体系结构中，这些任务必须在软件的中断处理程序中执行，从而引起延迟并使得过程十分复杂。

 

NVIC 中的尾链

在背对背中断的情况下，传统系统会重复完整的状态保存和还原周期两次，从而导致更高的延迟。Cortex-M 处理器通过在 NVIC 硬件中实现尾链技术简化了活动中断和挂起的中断之间的转换。处理器状态会在比软件实现时间更少的周期内自动保存在中断条目上并在中断退出时还原，从而显著提升低 MHz 系统的性能。

 

NVIC 对迟到的较高优先级中断的响应

如果在为上一个中断执行堆栈推送期间较高优先级的中断迟到，NVIC 会立即提取新的矢量地址来为挂起的中断提供服务，如上所示。Cortex-M NVIC 对这些可能性提供具有确定性的响应并支持迟到和抢占。

NVIC 进行的堆栈弹出抢占

同样，如果异常到达，NVIC 将放弃堆栈弹出并立即为新的中断提供服务，如上所示。通过抢占并切换到第二个中断而不完成状态还原和保存，NVIC 以具有确定性的方式实现了缩短延迟。