ARM Cortex-M3 구조 분석: 하버드 아키텍처와 레지스터, xPSR

5장 Cortex-M3 개요

ARM Cortex-M3는 임베디드 마이크로컨트롤러를 위한 ARMv7-M 아키텍처 기반 프로세서다. Thumb-2 명령어 지원, 3-stage pipeline, NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller), Memory-mapped bit-band 등을 특징으로 한다.

Specification

Harvard Modified Memory Architecture

Harvard: Instruction과 data를 별도 bus로 접근 — parallel access 가능, bandwidth 증가.

Pipeline (3-Stage)

Cortex-M3는 3-stage pipeline을 사용:

• Fetch: instruction을 메모리에서 가져옴
• Decode: instruction 해석, register 읽기 + branch prediction 수행
• Execute: ALU 연산, memory access, writeback

Branch 예측 실패 시 pipeline flush → stall 발생. Late arrival: 다음 I가 branch 결과를 기다리는 경우.

Cortex-M3 Architecture

• Operating Mode: Thread mode, Handler mode
• Processor Register Set: R0~R12 (general), R13 (SP), R14 (LR), R15 (PC), xPSR
• Bank stacks: MSP (Main Stack Pointer) — OS/exception, PSP (Process Stack Pointer) — user thread

General Purpose Register (R0~R12)

• Low registers (R0~R7): 16-bit Thumb I에서 직접 사용
• High registers (R8~R12): 대부분 32-bit Thumb-2 I에서만 직접 사용

Program Status Register (xPSR)

ARMv7-M은 xPSR을 세 부분으로 접근:

• APSR: N, Z, C, V, Q flags
• IPSR: 현재 실행 중인 exception 번호
• EPSR: Thumb state bit, IT block state, ICI bits

APSR Flags

• N(bit 31): Negative, Z(bit 30): Zero, C(bit 29): Carry, V(bit 28): Overflow, Q(bit 27): Sticky saturation

IPSR

• bits[8:0]: 현재 exception number. Thread mode에서 0.

EPSR

• Thumb bit: Cortex-M은 Thumb mode만 지원 → 항상 1
• IT bit: IT (If-Then) block의 conditional execution 상태

Special Purpose Registers

PRIMASK

1-bit flag. 1이면 configurable exception mask (NMI와 HardFault는 예외).

FAULTMASK

1-bit flag. 1이면 NMI 제외한 모든 exception masking.

BASEPRI

8-bit priority. 이 값보다 낮은 우선순위의 interrupt를 mask.

CONTROL

• SPSEL (bit 0): active stack pointer (0=MSP, 1=PSP)
• nPRIV (bit 1): privileged level (0=privileged, 1=unprivileged)

IT (If-Then) Block

Thumb-2의 Conditional Execution. IT 명령어 뒤에 최대 4개의 conditional I를 배치:

CMP r0, r1
ITTE  EQ
MOVEQ r2, r3
ADDEQ r4, r4, #1
MOVNE r5, r6

→ Branch 없이 조건부 실행 → pipeline 효율 ↑.

CONTROL Register 상세

• SPSEL: 현재 활성화된 stack pointer. Handler mode에서는 항상 0으로 읽히고 수정 불가
• OS 환경에서 ARM은 Thread mode의 thread는 항상 process stack, kernel/exception handler는 main stack 이용을 추천

Exceptions and Interrupts

• Interrupt/system exception 지원
• Exception은 SW control의 normal flow를 변화시킴
• Reset을 제외한 모든 exception은 Handler mode에서 수행
• NVIC reg를 통해 interrupt handling 가능 (중복된 interrupt 처리)

Data Type

• 32-bit word, 16-bit half-word, 8-bit byte
• Data memory access: little-endian/big-endian 모두 지원
• Instruction memory, PPB access: little-endian만 지원

Memory Model

$2^{32}$ B = 4 GB의 memory.

0xFFFFFFFF  Vendor-specific (511 MB)
0xE0100000  
0xE00FFFFF  Private peripheral bus (1.0 MB)
0xE0000000  
0xDFFFFFFF  External device (1.0 GB)
0xA0000000  
0x9FFFFFFF  External RAM (1.0 GB)
0x60000000  
0x5FFFFFFF  Peripheral (0.5 GB)  — bit-banding region
0x40000000  
0x3FFFFFFF  SRAM (0.5 GB)  — bit-banding region
0x20000000  
0x1FFFFFFF  Code (0.5 GB)
0x00000000  

Bit-Banding

Cortex-M3의 특징: Atomic operation을 bit data로 제공 (ARM에만 존재).

• Peripheral 0.5GB / SRAM 0.5GB region에서 1MB Bit band region → 32MB Bit band alias
• Alias의 한 word(32-bit)는 bit-band region의 한 bit에 대응
• Alias 주소에 read/write하면 해당 bit만 atomic하게 read/modify 가능

Instruction Prefetch and Branch Prediction

Instruction Prefetch: 수행 전 I을 예측해서 미리 읽어둠.

• 예측이 틀린 I은 cache pollution을 일으켜 성능 저하
• Branch I 다음의 I을 잘 못 예측할 수 있음

Software Ordering of Memory Access

• DMB (Data Memory Barrier): 이전 memory access 완료 후 이후 access
• DSB (Data Synchronization Barrier): DMB + instruction 완료까지 보장
• ISB (Instruction Synchronization Barrier): Pipeline flush

Bit-Banding 주소 변환

bit_word_offset = (byte_offset x 32) + (bit_number x 4)
bit_word_addr = bit_band_base + bit_word_offset

예: SRAM bit-band region 0x20000000 → alias 0x22000000

• 0x20000000 bit 0 → 0x22000000
• 0x20000000 bit 1 → 0x22000004
• 0x20000000 bit 2 → 0x22000008

Memory Endianness

• Big Endian / Little Endian 선택 가능
• Cortex-M3의 code fetch는 항상 little-endian

Exception Model

Cortex-M3의 Exception 체계. Reset, NMI, HardFault, MemManage, BusFault, UsageFault, SVCall, DebugMonitor, PendSV, SysTick, IRQ[0..239].

Exception Type (우선순위 순)

• Reset: 가장 높음 (fixed)
• NMI: 2번째 (fixed)
• HardFault: fault escalation
• Configurable: MemManage, BusFault, UsageFault, SVCall, DebugMonitor, PendSV, SysTick, IRQ
• IRQ: 외부 peripheral

Exception Handlers

• ISR (Interrupt service routine): IRQ handler
• Fault handler: HardFault, MemManage, UsageFault, BusFault
• System handler: NMI, PendSV, SVCall, SysTick

Vector Table

Stack pointer의 reset값을 포함. 모든 exception handler의 start address가 들어 있음.

Exception Priorities

낮은 value가 높은 우선순위.

• Reset, HardFault, NMI를 제외하고 우선 순위를 설정할 수 있음
• 설정하지 않으면 0 → 설정하는 것이 좋음

Exception Entry and Return

Preemption

프로세서가 Exception Handler를 수행하는 중, 우선순위가 높은 exception이 발생하면 선점 → Nested exception.

Return

완료된 exception handler는 late-arriving exception을 수행하지 않음. Pop 도중은 가능하나 완료 되면 수행 X.

→ Tail-chaining, Late-arriving 최적화.

Exception Entry — Stacking

• Stacking: Interrupt 발생 시 stack에 백업, tail-chained나 late-arriving은 수행 X
• Stack frame: 8개의 word 자동 백업 (HW)

SP + 0x1C    <previous>
SP + 0x18    xPSR
SP + 0x14    PC
SP + 0x10    LR
SP + 0x0C    R12
SP + 0x08    R3
SP + 0x04    R2
SP + 0x00    R1, R0

Full descending stack: Stack pointer가 stack frame의 낮은 곳.

Exception Return

EXC_RETURN[3:0] 값에 따라 return stack과 processor mode 결정.

정리

Cortex-M3는 저전력 임베디드 MCU 시장(STM32, LPC17xx 등)의 표준이 되었고, 이후 Cortex-M4, M7로 확장된다.