Cortex-M3 Programming manual

Cortex-M3

Programming

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March 2011 Doc ID 15491 Rev 4 1/155

PM0056

Programming manual

STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx

Cortex-M3 programming manual

This programming manual provides information for application and system-level software

developers. It gives a full description of the STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx Cortex™-

M3 processor programming model, instruction set and core peripherals.

The STM32F10xxx/20xxx/21xxx/L1xxxx Cortex

™

-M3 processor is a high performance 32-bit

processor designed for the microcontroller market. It offers significant benefits to

developers, including:

● Outstanding processing performance combined with fast interrupt handling

● Enhanced system debug with extensive breakpoint and trace capabilities

● Efficient processor core, system and memories

● Ultra-low power consumption with integrated sleep modes

● Platform security

www.st.com

Contents PM0056

2/155 Doc ID 15491 Rev 4

Contents

1 About this document . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1 Typographical conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2 List of abbreviations for registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.3 About the STM32 Cortex-M3 processor and core peripherals . . . . . . . . . 10

1.3.1 System level interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.2 Integrated configurable debug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.3.3 Cortex-M3 processor features and benefits summary . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.4 Cortex-M3 core peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 The Cortex-M3 processor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1 Programmers model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.1 Processor mode and privilege levels for software execution . . . . . . . . . 14

2.1.2 Stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.3 Core registers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1.4 Exceptions and interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.5 Data types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.1.6 The Cortex microcontroller software interface standard (CMSIS) . . . . . 24

2.2 Memory model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.2.1 Memory regions, types and attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.2.2 Memory system ordering of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.3 Behavior of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.2.4 Software ordering of memory accesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2.5 Bit-banding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.2.6 Memory endianness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.2.7 Synchronization primitives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.2.8 Programming hints for the synchronization primitives . . . . . . . . . . . . . . 33

2.3 Exception model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3.1 Exception states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3.2 Exception types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3.3 Exception handlers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3.4 Vector table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3.5 Exception priorities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.3.6 Interrupt priority grouping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.3.7 Exception entry and return . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

PM0056 Contents

Doc ID 15491 Rev 4 3/155

2.4 Fault handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.4.1 Fault types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.4.2 Fault escalation and hard faults . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.4.3 Fault status registers and fault address registers . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.4.4 Lockup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.5 Power management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.5.1 Entering sleep mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5.2 Wakeup from sleep mode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.5.3 The external event input . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.5.4 Power management programming hints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3 The Cortex-M3 instruction set . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.1 Instruction set summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2 Intrinsic functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.3 About the instruction descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.3.1 Operands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.3.2 Restrictions when using PC or SP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3.3 Flexible second operand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.3.4 Shift operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.3.5 Address alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3.6 PC-relative expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.3.7 Conditional execution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.8 Instruction width selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.4 Memory access instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.4.1 ADR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.4.2 LDR and STR, immediate offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.4.3 LDR and STR, register offset . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.4.4 LDR and STR, unprivileged . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.4.5 LDR, PC-relative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.4.6 LDM and STM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.4.7 PUSH and POP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.4.8 LDREX and STREX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

3.4.9 CLREX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.5 General data processing instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

3.5.1 ADD, ADC, SUB, SBC, and RSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

3.5.2 AND, ORR, EOR, BIC, and ORN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Contents PM0056

4/155 Doc ID 15491 Rev 4

3.5.3 ASR, LSL, LSR, ROR, and RRX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3.5.4 CLZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3.5.5 CMP and CMN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.5.6 MOV and MVN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

3.5.7 MOVT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3.5.8 REV, REV16, REVSH, and RBIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

3.5.9 TST and TEQ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

3.6 Multiply and divide instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.6.1 MUL, MLA, and MLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

3.6.2 UMULL, UMLAL, SMULL, and SMLAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.6.3 SDIV and UDIV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

3.7 Saturating instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.7.1 SSAT and USAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

3.8 Bitfield instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.8.1 BFC and BFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.8.2 SBFX and UBFX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.8.3 SXT and UXT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

3.8.4 Branch and control instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

3.8.5 B, BL, BX, and BLX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

3.8.6 CBZ and CBNZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.8.7 IT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3.8.8 TBB and TBH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

3.9 Miscellaneous instructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

3.9.1 BKPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.9.2 CPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3.9.3 DMB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.9.4 DSB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

3.9.5 ISB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.9.6 MRS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

3.9.7 MSR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

3.9.8 NOP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.9.9 SEV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

3.9.10 SVC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.9.11 WFE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

3.9.12 WFI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4 Core peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

PM0056 Contents

Doc ID 15491 Rev 4 5/155

4.1 About the STM32 core peripherals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.2 Memory protection unit (MPU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

4.2.1 MPU access permission attributes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

4.2.2 MPU mismatch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.2.3 Updating an MPU region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

4.2.4 MPU design hints and tips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.2.5 MPU type register (MPU_TYPER) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

4.2.6 MPU control register (MPU_CR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

4.2.7 MPU region number register (MPU_RNR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

4.2.8 MPU region base address register (MPU_RBAR) . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4.2.9 MPU region attribute and size register (MPU_RASR) . . . . . . . . . . . . . 117

4.3 Nested vectored interrupt controller (NVIC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

4.3.1 The CMSIS mapping of the Cortex-M3 NVIC registers . . . . . . . . . . . . 120

4.3.2 Interrupt set-enable registers (NVIC_ISERx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.3.3 Interrupt clear-enable registers (NVIC_ICERx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

4.3.4 Interrupt set-pending registers (NVIC_ISPRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

4.3.5 Interrupt clear-pending registers (NVIC_ICPRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

4.3.6 Interrupt active bit registers (NVIC_IABRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

4.3.7 Interrupt priority registers (NVIC_IPRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4.3.8 Software trigger interrupt register (NVIC_STIR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.3.9 Level-sensitive and pulse interrupts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.3.10 NVIC design hints and tips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

4.3.11 NVIC register map . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

4.4 System control block (SCB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.4.1 Auxiliary control register (SCB_ACTLR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

4.4.2 CPUID base register (SCB_CPUID) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

4.4.3 Interrupt control and state register (SCB_ICSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

4.4.4 Vector table offset register (SCB_VTOR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

4.4.5 Application interrupt and reset control register (SCB_AIRCR) . . . . . . 135

4.4.6 System control register (SCB_SCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

4.4.7 Configuration and control register (SCB_CCR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.4.8 System handler priority registers (SHPRx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

4.4.9 System handler control and state register (SCB_SHCSR) . . . . . . . . . 140

4.4.10 Configurable fault status register (SCB_CFSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.4.11 Hard fault status register (SCB_HFSR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.4.12 Memory management fault address register (SCB_MMFAR) . . . . . . . 147

4.4.13 Bus fault address register (SCB_BFAR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

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