ArmCortex-M和Cortex-M微处理器权威指南

适读人群 ：嵌入式开发工程师；相关专业学生和研究人员
本书由Arm公司杰出工程师Joseph Yiu撰写，是介绍Armv8-M指令集架构处理器的权威著作。内容丰富翔实，以设计开发需求为原点，从微架构、指令集、安全方案、系统支持、调试设计等多角度全面介绍了新处理器的设计与应用细节，深入讲解架构功能，以使软件开发者能够基于Armv8-M指令集架构开发安全解决方案。无论你是初学者还是有相关开发经验的工程师，或是从事教学研究的科研人员，都能从本书中获益。

本书着重介绍Armv8-M架构以及Cortex-M23和Cortex-M33处理器的可用功能。
该书涵盖了一系列主题内容，包括指令集、程序员模型、中断处理、操作系统支持和调试功能。本书通过一系列实例演示了如何为Cortex-M23和Cortex-M33处理器创建软件，使嵌入式软件开发人员对Armv8-M架构有所了解。
本书还详细介绍了TrustZone?技术，包括该技术如何有利于物联网应用的安全、操作、该技术如何影响处理器的硬件（如内存架构、中断处理等），以及创建安全软件的各种其他注意事项。

目　　录
译者序
前言
致谢
第1章　概述　　1
1.1　微控制器与处理器　　1
1.2　处理器分类　　2
1.3　Cortex-M23和Cortex-M33处理器
与Armv8-M架构　　3
1.4　Cortex-M23和Cortex-M33处理器
的特性　　4
1.5　为什么有两种不同的处理器　　5
1.6　Cortex-M23和Cortex-M33应用　　6
1.7　技术特征　　7
1.8　与前几代Cortex-M处理器的对比　　8
1.9　Cortex-M23和Cortex-M33处理器的优势　　10
1.10　了解微控制器编程　　12
1.11　延伸阅读　　13
参考文献　　15
第2章　Cortex-M编程入门　　16
2.1　概述　　16
2.2　基本概念　　18
2.3　Arm Cortex-M编程简介　　23
2.4　软件开发流程　　33
2.5　Cortex微控制器软件接口标准　　35
2.6　软件开发的附加说明　　41
参考文献　　41
第3章　Cortex-M23与Cortex-M33
处理器技术概述　　42
3.1　Cortex-M23与Cortex-M33
处理器的设计原则　　42
3.2　结构图　　43
3.3　处理器　　45
3.4　指令集　　46
3.5　内存映射　　47
3.6　总线接口　　48
3.7　内存保护　　49
3.8　中断与异常处理　　50
3.9　低功耗特性　　51
3.10　操作系统支持　　51
3.11　浮点运算单元　　52
3.12　协处理器接口与Arm自定义
指令　　52
3.13　 调试与跟踪支持　　52
3.14　多核系统设计支持　　53
3.15　Cortex-M23与Cortex-M33
处理器的关键功能增强　　53
3.16　与其他Cortex-M系列处理器的
兼容性　　57
3.17　处理器配置选项　　57
3.18　TrustZone功能介绍　　59
3.19　为什么TrustZone能带来更好的
安全性　　65
3.20　使用仅执行内存保护固件　　68
参考文献　　69
第4章　架构　　70
4.1　Armv8-M指令集架构简介　　70
4.2　编程者模型　　72
4.3　内存系统　　94
4.4　异常与中断　　105
4.5　调试　　112
4.6　复位与复位顺序　　114
4.7　其他架构相关内容　　117
参考文献　　118
第5章　指令集　　119
5.1　背景　　119
5.2　Cortex-M系列处理器的指令集
特征　　120
5.3　了解汇编语言语法　　123
5.4　指令后缀的使用　　127
5.5　统一汇编语言　　128
5.6　指令集—处理器内部数据传送
指令　　129
5.7　指令集—内存访问　　134
5.8　指令集—算术运算　　153
5.9　指令集—逻辑运算　　157
5.10　指令集—移位和循环操作　　158
5.11　指令集—数据转换（扩展和
反向排序）　　160
5.12　指令集—位域处理　　162
5.13　指令集—饱和操作　　163
5.14　指令集—程序流程控制　　165
5.15　指令集—DSP扩展　　174
5.16　指令集—浮点支持指令　　182
5.17　指令集—异常相关指令　　187
5.18　指令集—睡眠模式相关
指令　　189
5.19　指令集—内存屏障指令　　190
5.20　指令集—TrustZone支持
指令　　192
5.21　指令集—协处理器和Arm
自定义指令支持　　193
5.22　指令集—其他函数　　197
5.23　基于CMSIS-CORE访问特殊
寄存器　　199
参考文献　　201
第6章　内存系统　　202
6.1　内存系统概述　　202
6.2　内存映射　　204
6.3　内存类型和内存属性　　206
6.4　访问权限管理　　210
6.5　内存中的字节顺序　　213
6.6　数据对齐和非对齐数据的访问
支持　　216
6.7　独占访问支持　　217
6.8　内存排序和内存屏障指令　　220
6.9　总线等待状态和错误支持　　221
6.10　单周期I/O端口（仅限于Cortex-M23）　　223
6.11　微控制器中的内存系统　　224
6.12　软件方面的考虑　　229
参考文献　　230
第7章　在内存系统中支持TrustZone　　231
7.1　概览　　231
7.2　SAU与IDAU　　232
7.3　备份与不备份的寄存器　　234
7.4　测试目标指令与分区ID编号　　236
7.5　内存保护控制器与外设保护
控制器　　241
7.6　安全自适应外设　　243
参考文献　　244
第8章　异常与中断—架构
概述　　245
8.1　异常与中断概述　　245
8.2　异常类型　　248
8.3　异常与中断管理概述　　250
8.4　异常序列　　252
8.5　异常优先级定义　　255
8.6　中断向量表与中断向量表偏移
寄存器　　260
8.7　中断输入与中断挂起行为　　262
8.8　安全TrustZone系统中的异常与
中断目标状态　　266
8.9　栈帧　　268
8.10　EXC_RETURN　　277
8.11　同步异常与异步异常分类　　281
参考文献　　282
第9章　异常和中断管理　　283
9.1　异常和中断管理概述　　283
9.2　用于中断管理的NVIC寄存器　　287
9.3　用于系统异常管理的SCB
寄存器　　293
9.4　用于异常或中断屏蔽的特殊
寄存器　　300
9.5　编程中的向量表定义　　306
9.6　中断延迟和异常处理优化　　309
9.7　提示与技巧　　313
参考文献　　314
第10章　低功耗及系统控制
特性　　315
10.1　低功耗需求　　315
10.2　Cortex-M23/M33的低功耗
特性　　316
10.3　WFI、WFE、SEV的更多指令
介绍　　327
10.4　开发低功耗应用　　332
10.5　系统控制块和系统控制特性　　334
10.6　辅助控制寄存器　　341
10.7　系统控制块中的其他寄存器　　342
第11章　支持操作系统的特性　　343
11.1　支持操作系统的特性概述　　343
11.2　系统计时器　　344
11.3　栈指针备份　　352
11.4　栈限制检查　　356
11.5　SVCall与PendSV异常　　360
11.6　非特权执行等级与内存保护
单元　　367
11.7　独占访问　　368
11.8　如何在支持TrustZone安全功能
扩展的系统环境运行RTOS　　370
11.9　Cortex-M系列处理器中的RTOS
操作概念　　372
参考文献　　383
第12章　内存保护单元　　384
12.1　内存保护单元概述　　384
12.2　MPU寄存器　　386
12.3　MPU配置　　393
12.4　TrustZone和MPU　　400
12.5　Armv8-M架构与前几代架构关于MPU的主要区别　　402
参考文献　　403
第13章　故障异常与故障处理　　404
13.1　概述　　404
13.2　故障的产生原因　　406
13.3　启用故障异常事件　　412
13.4　故障处理程序的设计考虑　　413
13.5　故障状态与其他信息　　415
13.6　死锁　　422
13.7　故障事件分析　　424
13.8　栈跟踪　　426
13.9　在故障处理程序中抽取栈帧并
打印故障状态　　428
参考文献　　431
第14章　Cortex-M33处理器的
浮点单元　　 432
14.1　浮点数　　432
14.2　Cortex-M33中的浮点运算
单元　　436
14.3　Cortex-M33 FPU和Cortex-M4
FPU的主要区别　　448
14.4　延迟入栈详解　　449
14.5　使用FPU　　455
14.6　浮点异常　　460
14.7　提示与技巧　　463
参考文献　　463
第15章　协处理器接口与Arm
自定义指令　　464
15.1　概述　　464
15.2　架构概述　　470
15.3　在C语言中通过内建函数访问
协处理器指令　　470
15.4　在C语言中通过内建函数使用
Arm自定义指令　　472
15.5　启用协处理器和Arm自定义
指令时要采取的软件步骤　　474
15.6　协处理器功耗控制　　474
15.7　提示与技巧　　475
参考文献　　476
第16章　调试和跟踪功能　　477
16.1　概述　　477
16.2　调试架构细节　　482
16.3　调试组件简介　　493
16.4　启动调试会话　　523
16.5　闪存编程支持　　524
16.6　软件设计注意事项　　525
参考文献　　525
第17章　软件开发　　526
17.1　概述　　526
17.2　Keil MDK入门　　528
17.3　Arm架构的过程调用标准　　562
17.4　软件场景　　564
参考文献　　566
第18章　安全软件开发　　567
18.1　安全软件开发概述　　567
18.2　TrustZone技术细节　　569
18.3　安全软件开发流程　　580
18.4　在Keil MDK中创建安全
项目　　595
18.5　其他工具链中的CMSE支持　　605
18.6　安全软件设计考虑　　606
参考文献　　620
第19章　Cortex-M33处理器中的数字信号处理　　621
19.1　为何微控制器中需要DSP　　621
19.2　使用Cortex-M系列处理器开发DSP应用的理由　　622
19.3　点乘案例　　624
19.4　利用SIMD指令获得更高的
性能　　626
19.5　处理溢出　　628
19.6　用于数字信号处理的数据类型　　631
19.7　Cortex-M33 DSP指令　　634
19.8　针对Cortex-M33处理器编写
优化的DSP代码　　647
参考文献　　664
第20章　使用Arm CMSIS-
DSP库　　665
20.1　库概述　　665
20.2　函数命名约定　　667
20.3　获取帮助　　667
20.4　示例1—DTMF演示　　667
20.5　示例2—通过最小二乘法实现
运动跟踪　　678
20.6　示例3—实时滤波器设计　　682
20.7　如何确定基于Cortex-M33的
系统所支持的指令集特性　　705
参考文献　　706
第21章　进阶主题　　707
21.1　关于栈内存保护的更多信息　　707
21.2　信号量、加载获取和存储释放
指令　　708
21.3　非特权中断处理程序　　711
21.4　中断处理程序重入　　717
21.5　软件优化主题　　721
参考文献　　731
第22章　IoT安全和PSA
Certified框架简介　　732
22.1　从处理器架构到IoT安全　　732
22.2　PSA Certified简介　　733
22.3　TF-M项目　　741
22.4　附加信息　　746
参考文献　　747

前　　言
当前，随着基于Cortex-M23和Cortex-M33处理器的产品逐步进入市场，许多新产品中提供了复杂的安全功能，由此关于“现代微控制器”的定义似乎向前迈出了一大步。尽管这些安全功能在机制上是为面向低功耗领域的小规模芯片量身定制的，但其中所采用的许多安全技术在设计原则上与高端的计算系统非常相似。
尽管安全话题非常广泛，但数十亿连接设备安全的一个关键话题是“信任的根源”，例如密钥和安全引导机制（所有这些都需要保护）。借助Cortex-M23和Cortex-M33处理器中所支持的Arm TrustZone技术，上述关键的安全资产可在安全的处理环境（安全区域）中得到保护。同时，开发者也可以较为容易地开发出运行在正常处理环境（非安全区域）中的应用程序，并能够使用安全固件中提供的安全功能。软件开发人员可以结合Arm所提供的其他技术（如平台安全架构（Platform Security Architecture，PSA）和可信固件–M（Trusted Firmware-M，TF-M））非常容易地为安全物联网产品开发应用软件。
安全和非安全软件组件之间的交互给系统架构设计带来了新的复杂性。虽然在非安全软件开发方面与以往Cortex-M处理器上所采用的开发模式仍然相似，但开发者在开发安全固件等安全软件时需要熟悉在Armv8-M架构中新引入的一系列架构功能。
本书侧重介绍Arm Cortex-M23和Cortex-M33处理器架构方面的内容。为了使软件开发者能够基于Armv8-M指令集架构开发安全解决方案，本书将针对架构功能进行深入讲解（其他出版物没有涉及这部分内容）。因此，本书在内容方面减少了应用代码示例和各种开发工具的使用说明，这些内容可从第三方获得。
祝各位读者开卷有益。

姚文祥（Joseph Yiu）