ARM Cortex-M0 구조: 레지스터 세트, 동작 모드, 메모리 맵

5장 Cortex-M0 개요

ARM Cortex-M0는 초저전력, 초소형 MCU를 위한 ARMv6-M 아키텍처 기반 프로세서 코어. 3-stage pipeline, Thumb-only 명령어 지원, 최소한의 NVIC으로 구성되어 IoT/센서 노드 등에 최적화되어 있다.

Cortex-M0 특징

• ARMv6-M architecture
• 3-stage pipeline: Fetch → Decode → Execute
• Thumb instruction set (16-bit) + 일부 Thumb-2 (32-bit)
• ~11,000 gates (Cortex-M3보다 훨씬 작음)
• ~12 μW/MHz 수준의 초저전력
• Single-cycle multiplier (option)
• NVIC: Nested Vectored Interrupt Controller (up to 32 interrupts)

Cortex-M0 구조

┌────────────────────────────────────┐
│   Cortex-M0 Processor Core          │
│  ┌──────────┐   ┌──────────────┐   │
│  │ Register │   │  NVIC        │   │
│  │ File     │   │ (up to 32)   │   │
│  └──────────┘   └──────────────┘   │
│  ┌──────────┐   ┌──────────────┐   │
│  │ ALU      │   │  Debug (SWD) │   │
│  └──────────┘   └──────────────┘   │
└────────────────────────────────────┘
   AHB-lite bus → Memory, Peripherals

Register Set

• R0~R12: 범용 register
• R0~R7: Low registers (모든 Thumb I에서 직접 사용)
• R8~R12: High registers (제한적 사용, MOV/ADD에서만)
• R13: Stack Pointer (MSP / PSP bank)
• R14: Link Register
• R15: Program Counter
• xPSR: Program Status Register

Operating Modes

• Thread mode: 일반 프로그램 실행
• Handler mode: Exception handler 실행

Privilege:

• Privileged: 모든 기능 접근 가능
• Unprivileged: 일부 제한 (Cortex-M0는 항상 Privileged)

Memory Map

$2^{32}$ B = 4 GB 가상 주소 공간:

• 0x00000000 ~ 0x1FFFFFFF: Code (0.5 GB)
• 0x20000000 ~ 0x3FFFFFFF: SRAM
• 0x40000000 ~ 0x5FFFFFFF: Peripheral
• 0x60000000 ~ 0xDFFFFFFF: External RAM/Device
• 0xE0000000 ~ 0xE00FFFFF: Private Peripheral Bus (NVIC, SysTick, SCB)

Exception / Interrupt

• Vector table: 0x00000000에 위치
• 15 system exceptions + 최대 32 external IRQs
• Priority: Reset > NMI > HardFault > configurable

Thumb Instruction Set

Cortex-M0는 Thumb 명령어만 지원. 일부 32-bit Thumb-2 (BL, DSB, DMB, ISB, MRS, MSR 등).

• 16-bit 명령어 → 코드 크기 절감
• Branch, data processing, load/store, control flow

3-Stage Pipeline

[Fetch] → [Decode] → [Execute]

• Branch prediction 없음 (M3 이상에서 도입)
• Branch taken → pipeline flush (1 cycle penalty)

SysTick Timer

24-bit down counter로 간단한 time-base 제공. RTOS 스케줄러 tick에 자주 사용.

Cortex-M0 vs M3/M4

사용 예

• STM32F0 series
• NXP LPC1100 series
• Nordic nRF51 series
• Atmel SAM D20

주로 배터리 구동 IoT 기기, 센서 노드, 간단한 제어기에 사용.

정리

Cortex-M0는 가장 작고 저렴한 ARM core로, 8-bit MCU 시장을 32-bit로 대체한 주역이다.