Lec. 8. ARM Cortex-M0+ Core Pt.1

05 Apr 2024 in Microprocessor

ARM Cortex-M0+ Core

Basic terminology

• Instruction - 명령어의 집합
• operation - 연산자(명령문)
• operand - 피연산자

CPU core

Simplified Structure

• Program memory(PM)
  • 연속된 instruction 다발이 저장되는 장소
• Program counter(PC)
  • PM에서 다음으로 실행할 instruction의 주소를 가리키는 특수목적 레지스터
• Arithmetic/Logical Unit(ALU)
  • 연산장치
  • 연산자를 이용해서 데이터 처리를 수행함
  • ex) addition, subtraction, logic operation(AND, OR, XOR, …)
  • 레지스터 파일로부터 명령어에 요구되는 피연산자를 가져옴
• Resister file
  • ALU가 처리해줄 또는 처리한 정보를 일시적으로 저장하는 저장공간
  • 쉽게 접근 가능하지만, 그 크기가 작아 적은 수의 item만 hold 할 수 있다.
• Data memory(DM)
  • long-term동안 data를 저장할 수 있는 공간
  • MB 또는 이상의 단위를 가짐.
  • 그러나 속도가 느리고, 접근이 복잡하다
• Control logic
  • 불러온 instruction을 다양한 컨트롤 및 데이터 시퀀스로 디코딩해준다

Instruction processing

1. CPU가 PC에서 지정한 PM 주소로부터 instruction을 읽어온다.
2. Control logic이 읽어온 명령어를 디코딩 하고 Control signal을 생성한다.
   • 레지스터 파일 내 어떤 레지스터를 Source operand로 읽어들일지
   • 어떻게 다른 피연산자를 생성할지(DM에서 어떻게 register로 operand를 불러올지)
   • ALU가 연산을 수행할 지, 또는 메모리가 접근할지에 여부
   • 레지스터 파일 내의 어떤 레지스터에 결과를 저장할지
   • PC에 상황을 업데이트 하는 방법

Architecture

아키텍처는 프로세서의 몇 가지 특성을 정의한다.

• Programmer’s model: operating modes, registers, memory map
• Instruction set architecture: instructions, addressing modes, data type
• Exception model: interrupt handling
• Debug architecture: debug features

ARM Cortex-M0+ 프로세서는 ARMv6 아키텍처를 구현한다

• 레지스터 파일에 있는 데이터만 처리 가능하다.
• DM에 있는 데이터는 즉시 처리될 수 없고, 레지스터 파일에 적재되어야 하고 나중에 다시 저장되어야 할 수 있다.
  • load/store architecture -> 하드웨어 디자인을 간단하게 한다.
• native data type: ALU와 레지스터들에 사용되는 Primary data type으로 ARM Cortex-M 시리즈의 경우 32-bit integer 형을 가진다.

Registers in Programmer’s model

• 다수의 32-bit 레지스터
• General purposed registers(GPRs)
  • R0~R12: general purposed registers for data processing
  • R13: stack pointer(SP)
  • R14: link register(반환해줄 address를 hold 하고 있음)
  • R15: Program counter(다음 instruction의 주소를 hold 하고 있음)
• Special Purposed registers(SPRs)
  • Program status register(PSR): 세가지 다른 관점

  • 

    • Application PSR(APSR): condition code flag를 보여준다
      • Condition code flag: instruction의 결과가 음수면 N, 0이면 Z, 또는 결과에서 Carry(C)나 Overflow(V)가 발생했는지를 나타냄
    • Inturrupt PSR(IPSR): exception number를 저장 // similar with error code
    • Execution PSR(EPSR): Thumb mode의 활성화를 가리킴
      • ARM mode: 32-bit instruction mode
      • Thumb mode: 16-bit instruction mode / 보다 효율적인 메모리 사용 가능
  • PRIMASK register
    • 여러 종류의 interrupt가 존재하는데 원하는 inturrupt만을 취하도록 하기 위해 bit를 Masking해줌
  • CONTROL register
    • SPSEL이라고 불리는 하나의 field를 포함하고 있는데, 이는 어떠한 stack pointer가 사용되는지를 결정해준다.

Memory

Memory map

ARMv6-M architecture: 32-bit 주소 공간을 지원하고, 2^32개의 위치가 주소화될 수 있다.

주소는 특정 바이트를 나타낸다 -> byte-addressable

2^32 = 4GB의 메모리. 따라서 32bit는 최대 4GB의 메모리를 사용할 수 있음

주소 공간은 각각의 사용 목적에 따라 여러 개의 구역으로 나뉜다.

• Code memory
• On/off-chip SRAM for storing data
• On/off-chip peripheral device control/status registers
• Private bus with fast access to peripherals
• Space for system control/status registers

KL25Z128VLK4에서는 128KB의 공간을 code 저장을 위한 ROM flashing 에 사용하고, 16KB 공간을 read/write memory(SRAM)에 사용

Endianness

• endianness
  • multi-byte 구조를 1차원의 메모리에 저장하는 순서를 의미한다.
• little-endian
  • Least-significant byte가 메모리에 먼저 저장된다.
• least-significant
  • 2바이트의 경우 0~255를 나타내는 앞쪽 바이트(작은 자리수)를 의미한다.
• big-endian
  • Most-significant byte가 메모리에 먼저 저장된다.
• most-significant
  • 2바이트의 경우 256~65280을 나타내는 뒤쪽 바이트(큰 자리수)를 의미한다.

ARMv6-M 아키텍처의 경우 instruction이 항상 little endian이다. endianness는 CPU 구현방식에 따라 다르다.