AT32內(nèi)核架構(gòu)概述

AT32F4系列產(chǎn)品是基于Cortex-M4F處理器架構(gòu)，該處理器是一款低功耗處理器，具有低門(mén)數(shù)，低中斷延遲和低成本調(diào)試的特點(diǎn)。支持包括DSP指令集與浮點(diǎn)運(yùn)算功能，特別適合用于深度嵌入式應(yīng)用程序需要快速中斷響應(yīng)功能。Cortex-M4F處理器是基于ARMv7-M架構(gòu)，既支持Thumb指令集也支持DSP指令集。

下圖為Cortex-M4F處理器的內(nèi)部框圖，請(qǐng)參閱《ARMCortex-M4 技術(shù)參考手冊(cè)》了解關(guān)于Cortex-M4F更詳盡信息。

圖1. AT32 Cortex-M4F內(nèi)部框圖

本文主要就M4內(nèi)核自帶的位帶、硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元和滴答時(shí)鐘中斷功能進(jìn)行基礎(chǔ)講解。

案例 位帶操作

功能簡(jiǎn)介

利用位帶操作，可以使用普通的加載/存儲(chǔ)操作來(lái)對(duì)單一比特進(jìn)行讀寫(xiě)訪問(wèn)。在Cortex-M4F中提供了兩個(gè)位帶區(qū)：SRAM最低1M字節(jié)空間和外設(shè)區(qū)間的最低1M字節(jié)空間。這兩個(gè)區(qū)中的地址除了可以像普通存儲(chǔ)器一樣訪問(wèn)外，還可以通過(guò)它們各自的位帶別名區(qū)來(lái)快捷訪問(wèn)這兩個(gè)區(qū)中任意地址的任意比特位，位帶別名區(qū)將位帶區(qū)每個(gè)比特膨脹成一個(gè)32位的字。當(dāng)你訪問(wèn)位帶別名區(qū)的一個(gè)地址時(shí)，等同于直接訪問(wèn)位帶區(qū)的一個(gè)比特位。圖2.位帶區(qū)與位帶別名區(qū)的膨脹關(guān)系圖A圖3. 位帶區(qū)與位帶別名區(qū)的膨脹關(guān)系圖B位帶區(qū)：支持位帶操作的地址區(qū)位帶別名區(qū)：對(duì)別名區(qū)地址的訪問(wèn)最終作用到位帶區(qū)的訪問(wèn)上在位帶區(qū)中，每個(gè)比特都映射到別名地址區(qū)的一個(gè)字（這是只有LSB有效的字）。當(dāng)一個(gè)位帶別名區(qū)地址被訪問(wèn)時(shí)，會(huì)先把該地址變換成位帶區(qū)地址。對(duì)于讀操作，讀取位帶區(qū)地址中的一個(gè)字，再把需要的位右移到LSB，并把LSB返回。對(duì)于寫(xiě)操作，把需要寫(xiě)的位左移到對(duì)應(yīng)的位序號(hào)處，然后執(zhí)行一個(gè)比特級(jí)的“讀-改-寫(xiě)”過(guò)程。

支持位帶操作的兩個(gè)內(nèi)存區(qū)的地址范圍為：

SRAM區(qū)中的最低1M字節(jié)：0x2000_0000~0x200F_FFFF外設(shè)區(qū)間的最低1M字節(jié)：0x4000_0000~0x400F_FFFF對(duì)于SRAM位帶區(qū)的某個(gè)比特，如果所在字節(jié)地址為A，位序號(hào)為n(0<=n<=7)，則該比特在別名區(qū)的地址為：AliasAddr=0x2200_0000+(A-0x2000_0000)*32+n*4對(duì)于外設(shè)區(qū)間位帶區(qū)的某個(gè)比特，如果所在字節(jié)地址為A，位序號(hào)為n(0<=n<=7)，則該比特在別名區(qū)的地址為：AliasAddr=0x4200_0000+(A-0x4000_0000)*32+n*4對(duì)于SRAM區(qū)中，位帶區(qū)與位帶別名區(qū)的映射如下表所示：表1. SRAM區(qū)中的位帶地址映射對(duì)于外設(shè)區(qū)中，位帶區(qū)與位帶別名區(qū)的映射如下表所示：表2. 外設(shè)區(qū)中的位帶地址映射

位帶操作的優(yōu)越性最容易想到的是通過(guò)GPIO的管腳來(lái)單獨(dú)控制每盞LED的點(diǎn)亮與熄滅。另一方面，也對(duì)操作串行接口提供很大的方便?？傊粠Р僮鲗?duì)于硬件I/O密集型的底層程序最有用處。位帶操作還能簡(jiǎn)化跳轉(zhuǎn)的判斷。當(dāng)跳轉(zhuǎn)依據(jù)是某個(gè)位時(shí)，以前必須這樣做：

讀取整個(gè)寄存器屏蔽不需要的位比較并跳轉(zhuǎn)現(xiàn)在只需要：從位帶別名區(qū)讀取該位的狀態(tài)比較并跳轉(zhuǎn)使代碼更簡(jiǎn)潔，這只是位帶操作優(yōu)越性的初步體現(xiàn)，位帶操作還有一個(gè)重要的好處是在多任務(wù)以及多任務(wù)環(huán)境中，將以前的讀-改-寫(xiě)需要的三條指令，做成了一個(gè)硬件級(jí)別支持的原子操作，消除了以前讀-改-寫(xiě)可能被中斷，導(dǎo)致出現(xiàn)紊亂的情況。

注意事項(xiàng)

1) 因各系列的外設(shè)IP地址排布的不同，AT32F421xx與AT32F425xx系列的GPIO外設(shè)基地址不在位帶映射地址范圍內(nèi)。

資源準(zhǔn)備

1) 硬件環(huán)境對(duì)應(yīng)產(chǎn)品型號(hào)的AT-START BOARD2) 軟件環(huán)境project\at_start_f4xx\examples\cortex_m4\bit_band

軟件設(shè)計(jì)

1) 配置流程SRAM位帶操作

• 定義全局變量variables=0xA5A5A5A5，
• 對(duì)variables bit0的位帶地址寫(xiě)0
• 檢查variables是否修改為0xA5A5A5A4，如果是則表示操作成功
• 對(duì)variables bit0的位帶地址寫(xiě)1
• 檢查variables是否修改為0xA5A5A5A5，如果是則表示操作成功
• 對(duì)variables bit16的位帶地址寫(xiě)0
• 檢查variables是否修改為0xA5A4A5A5，如果是則表示操作成功
• 對(duì)variables bit16的位帶地址寫(xiě)1
• 檢查variables是否修改為0xA5A5A5A5，如果是則表示操作成功
• 對(duì)variables bit31的位帶地址寫(xiě)0
• 檢查variables是否修改為0x25A5A5A5，如果是則表示操作成功
• 對(duì)variables bit31的位帶地址寫(xiě)1
• 檢查variables是否修改為0xA5A5A5A5，如果是則表示操作成功

外設(shè)位帶操作

• 對(duì)LED2對(duì)應(yīng)GPIO ODT寄存器bit位的位帶地址寫(xiě)0
• 對(duì)LED2對(duì)應(yīng)GPIO ODT寄存器bit位的位帶地址寫(xiě)1
• 循環(huán)執(zhí)行上述操作，實(shí)現(xiàn)LED toggle功能

2) 代碼介紹

main函數(shù)代碼描述宏定義內(nèi)容描述

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• SRAM位帶操作：如果不滿足預(yù)期，LED4翻轉(zhuǎn)。
• 外設(shè)位帶操作：如果滿足預(yù)期，LED2翻轉(zhuǎn)。

案例 硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元

功能簡(jiǎn)介

FPU即浮點(diǎn)運(yùn)算單元（Float Point Unit）。浮點(diǎn)運(yùn)算，對(duì)于定點(diǎn)CPU（沒(méi)有FPU的CPU）來(lái)說(shuō)必須要按照IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)的算法來(lái)完成運(yùn)算，是相當(dāng)耗費(fèi)時(shí)間的。而對(duì)于有FPU的CPU來(lái)說(shuō)，浮點(diǎn)運(yùn)算則只是幾條指令的事情，速度相當(dāng)快。

AT32F4屬于Cortex M4F架構(gòu)，帶有32位單精度硬件FPU，支持浮點(diǎn)指令集，相對(duì)于Cortex M0和Cortex M3等，高出數(shù)十倍甚至上百倍的運(yùn)算性能

注意事項(xiàng)

1) 由各系列應(yīng)用方向及成本的綜合考慮，AT32F415xx、AT32F421xx和AT32F425xx系列不支持硬件浮點(diǎn)運(yùn)算單元。

資源準(zhǔn)備

1) 硬件環(huán)境對(duì)應(yīng)產(chǎn)品型號(hào)的AT-START BOARD

2) 軟件環(huán)境

project\at_start_f4xx\examples\cortex_m4\fpu

軟件設(shè)計(jì)

1) 配置流程FPU功能的開(kāi)啟必須要編譯器和代碼都開(kāi)啟才可以。若只開(kāi)啟編譯器FPU，程序會(huì)進(jìn)入hardfault；若只開(kāi)啟代碼中FPU，編譯器不會(huì)編譯出FPU的代碼指令。

編譯器上開(kāi)啟FPU功能

IAR開(kāi)啟FPU方式如下圖圖4. IAR開(kāi)啟FPU方式MDK開(kāi)啟FPU方式如下圖圖5. MDK開(kāi)啟FPU方式

• 代碼中開(kāi)啟FPU功能

在system_at32f4xx.c文件中void SystemInit (void)函數(shù)確保有如下粗斜體代碼

執(zhí)行Julia算法函數(shù)

比較開(kāi)啟和不開(kāi)啟 FPU 功能的 Julia 運(yùn)算速度。2) 代碼介紹main函數(shù)代碼描述

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

• 編譯器上開(kāi)啟FPU功能，觀察LED4翻轉(zhuǎn)速度
• 編譯器上關(guān)閉FPU功能，觀察LED4翻轉(zhuǎn)速度
• 對(duì)比以上兩種情形LED4翻轉(zhuǎn)速度區(qū)別

案例 系統(tǒng)滴答時(shí)鐘中斷

功能簡(jiǎn)介

系統(tǒng)嘀嗒定時(shí)器是一個(gè)24位遞減計(jì)數(shù)器，遞減至零可自動(dòng)重載計(jì)數(shù)初值?？僧a(chǎn)生周期性異常，用作嵌入式操作系統(tǒng)的多任務(wù)調(diào)度計(jì)數(shù)器，或?qū)τ跓o(wú)嵌入式操作系統(tǒng)，可用于調(diào)用需周期性執(zhí)行的任務(wù)。系統(tǒng)嘀嗒定時(shí)器校準(zhǔn)值固定值9000，當(dāng)系統(tǒng)嘀嗒時(shí)鐘設(shè)定為9MHz，產(chǎn)生1ms時(shí)間基準(zhǔn)。

資源準(zhǔn)備

1) 硬件環(huán)境對(duì)應(yīng)產(chǎn)品型號(hào)的AT-START BOARD

2) 軟件環(huán)境

project\at_start_f4xx\examples\cortex_m4\systick_interrupt

軟件設(shè)計(jì)

1) 配置流程

• 配置systick時(shí)鐘源
• 配置systick重載值并開(kāi)啟systick中斷
• 在void SysTick_Handler(void)函數(shù)中添加應(yīng)用代碼

2) 代碼介紹

main函數(shù)代碼描述

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本應(yīng)配置的是1 ms systick中斷，每進(jìn)200次systick中斷LED2翻轉(zhuǎn)一次，因此應(yīng)該觀察到的現(xiàn)象是LED2以200ms一次的頻率進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。關(guān)于雅特力雅特力科技于2016年成立，是一家致力于推動(dòng)全球市場(chǎng)32位微控制器(MCU)創(chuàng)新趨勢(shì)的芯片設(shè)計(jì)公司，專注于ARM Cortex-M4/M0+的32位微控制器研發(fā)與創(chuàng)新，全系列采用55nm先進(jìn)工藝及ARM Cortex-M4高效能或M0+低功耗內(nèi)核，締造M4業(yè)界最高主頻288MHz運(yùn)算效能，并支持工業(yè)級(jí)別芯片工作溫度范圍（-40°~105°）。雅特力目前已累積相當(dāng)多元的終端產(chǎn)品成功案例：如微型打印機(jī)、掃地機(jī)、光流無(wú)人機(jī)、熱成像儀、激光雷達(dá)、工業(yè)縫紉機(jī)、伺服驅(qū)控、電競(jìng)周邊市場(chǎng)、斷路器、ADAS、T-BOX、數(shù)字電源、電動(dòng)工具等終端設(shè)備應(yīng)用，廣泛地覆蓋5G、物聯(lián)網(wǎng)、消費(fèi)、商務(wù)及工控等領(lǐng)域。