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ARM Cortex M0 – 아키텍처

Programmer’s Model

CortexM0 Processor mode

ARMv6-M 아키텍처에서는 쓰레드 모드와 핸들러 모드가 거의 같다. 유일한 차이는 쓰레드 모드에서는 CONTROL이라는 특별 레지스터의 설정으로 shadow된 스텍포인터를 사용한다는 것이다.

레지스터

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로드 스토어 아키텍쳐: 메모리에 있는 데이터를 처리하기 위해 이 데이터는 메모리로 부터 레지스터 뱅크의 레지스터에 옮겨져서 내부 프로세서에 의해 처리되고, 이것이 다시 메모리에 쓰여진다.
Cortex-M0는 13개의 32비트 범용 레지스터와 몇개의 특별(special)레지스터를 가진다.

R0-R12

범용 레지스터이며, 대부분의 16비트 Thumb 명령어들은 R0-R7, 하위(Low)레지스터만 액세스 가능하다. 이 레지스터들은 리셋시에 초기값이 정해져 있지 않다.

R13, SP (스텍 포인터)

2개의 스텍포인터가 존재하며, Push, Pop은 32비트 명령이기 때문에 스텍포인터는 항상 32비트의 최하위 2 비트는 항상 0이다.

-. MSP (SP_main) : 메인 스텍 포인터 – 리셋시에 사용되는 기본 설정 스텍포인터이며, 익셉션 핸들러가 실행될 때도 사용이 됨, 초기값은 스타트업 동작시 벡터테이블에서 처음 32비트 워드를 가져온다.
-. PSP (SP_process) : 프로세스 스텍 포인터 – 쓰레드 모드(익셉션을 처리하지 않을 때)에서만 사용됨, 초기값이 정해지지 않음.

R14, LR (링크 레지스터)

함수 호출 또는 서브루틴의 복귀주소를 저장하기 위해 사용이 된다.

R15, PC (프로그램 카운터)

읽기시에는 파이프라인설계 특성 때문에 현재 명령어 주소 + 4값이 읽혀진다.

PSR, 프로그램 상태 레지스터

이 레지스터는 다음 3개의 레지스터들로 구성이 된다.

-. Application PSR (APSR) : 조건 분기를 위해 N(음수), Z(제로), C(캐리 또는 바로우), V(오버플로우)
-. Interrupt PSR (IPSR) : 현재 실행중인 ISR(인터럽트 서비스 루틴)의 번호를 표시한다.
-. Execution PSR (EPSR) : Cortex-M0에서 T비트는 항상 1 (Thumb 상태를 표시), 만약 이 비트가 0이면 Hard Fault 익셉션이 발생한 것이다.

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이 세개의 레지스터는 xPSR 라 불리는 하나의 레지스터를 통해 액세스 된다.

PRIMASK: 인터럽트 마스크 특별 레지스터

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PRIMASK를 설정하면 NMI나 Hard Fault 익셉션을 제외한 모든 인터럽트를 차단한다.

CONTROL: 특별레지스터

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리셋이 된 후(Active stack pointer = 0)에는 MSP가 사용이되지만 , 쓰레드 모드에서 Active stack pointer가 1로 되면 PSP가 선택이 된다. 간단한 응용에서는 MSP만 사용이 되지만 OS가 사용이 될 경우 PSP가 사용이 되는 데 이것은 빠른 Context switching을 위한 것이다. MSP의 초기값은 프로그램 메모리의 시작 부분에 저장이 되지만 PSP의 초기값은 정해지지 않으며, 사용하기전에 프로그램에 의해 초기화가 되야 한다.

메모리 시스템의 개요

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스텍 메모리 동작

  • First-in, Last-out 동작 메카니즘
  • Push – 스텍에 메모리를 저장, 스텍 포인터의 주소는 감소한다.
  • Pop – 메모리에 저장된 데이터를 복구, 스텍 포인터의 주소는 증가한다.
  • Cortex-M0의 경우 full descending 스텍 모델 – 이것은 스텍 포인터가 항상 스텍 메모리의 마지막에 저장된 데이터를 가리킨다는 의미인다.
  • Push를 했는데 Pop을 하지 않을 경우 스텍 오버플로우 발생

익셉션과 인터럽트

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Vector table

NVIC

  • Flexible 인터럽트 관리: s/w로 인터럽트를 enable / disable 가능, Pending 상태를 set / clear가능
  • 중첩된 인터럽트 지원 – 선점형(preemption)
  • 벡터 방식의 익셉션 진입
  • 인터럽트 마스팅

디버그 시스템

Halt mode debug, stepping, register access를 제공하고, BPU(Breakpoint Unit), DWT(Data Watch point)같은 디버그 기능을 제공한다.JTAG 연결(nTRST, TCK, TDI, TMS, TDP등 5핀 사용)과 Serial-Wire 연결(Serial Write Clock, Serial Write Data등 2핀 사용)은 동일한 컨넥터를 사용이 가능하다. 즉 TCK와 Serial Write Clock이 공유되고, TMS와 Serial Write Data핀이 공유되며 나머지는 NC이다.

Startup Sequence

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프로세서가 리셋이 되면 다음과 같은 순서로 동작을 한다.

1. 0x00000000 번지에 저장이 되어 있는 MSP의 초기값을 읽는다. MSP의 초기값 = 스텍의 시작 번지

2. 0x00000004 번지에 저장이 되어 있는 리셋 벡터를 읽는다.

3. 리셋 벡터에 저장된 번지의 명령어를 패치한다.

만약 부트코드가 0x000000C0 번지부터 시작을 하면, Thumb 코드임을 나타내기 위하여 최하위 비트를 1로 설정한 값이 리셋 벡터에 저장이 되어 있어야 한다.


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