ARM Cortex-M底层技术（一）ARM Cortex-M系列微控制器概况

ARM Cortex-M底层技术（一）ARM Cortex-M系列微控制器概况

写在前面的话：

    近些年来ARM Cortex-M阵营各厂商（ST、NXP、ATMEL、Freescale……）发布新产品的节奏越来越快，以及微控制器应用普及程度的加深，越来越多的开发者把更多精力投注在应用层开发上，花在对底层技术上的时间越来越少。小编我希望借助我之前对底层的一些积累，可以帮到大家快速的建立对Cortex-M系列处理器（M0/M0+/M3/M4/M7以及新的M23/M33）的底层技术：芯片内核、编译器/开发环境底层、底层软件、调试技术等的快速积累，可以帮助大家更好、更快、更可靠的开发产品。

ARM Cortex-M系列微控制器概况：    

    老的ARM5、ARM7、ARM9、ARM11时代的处理器都是历史，ARM公司从ARMv6-ARMv7时代开始ARM开始使用A、R、M系列来命名其新的处理器。

    这里简单啰嗦几句A和R系列处理器的概况：

    A系列为应用处理器，其中A可以理解为Application，现在主流的智能手机几乎都是ARM的A系列内核，从早期的A8、A9、到后来的A15、A57、到现在的A72、A73、A75内核。主要用于运行iOS、Android、Linux等操作系统。

    R系列为实时处理器，其中R为RealTime，R7、R8等主要用于硬盘、4G通信模块、相机等领域，这个系列处理器性能也非常彪悍，有兴趣的童鞋可以自己去ARM官网看看，蛮有意思的。

    M系列处理器，其中M指的是Microcontroler目前主要有M0、M0+、M3、M4、M7以及新发布不久的基于ARMv8-M构架的M23、M33，其中M23为M0&M0+的升级，M33为M3、M4的升级。性能天梯如下图： 

        上图为同等主频下，各个内核可以提供的运算性能的大概的对比关系，评判一个处理器处理性能一直是一个难题，有很多的评判标准，上图是ARM官网提供的，Cortex-M系列在ARM官网上一直是以Coremark分数为主要评测标准 ，大家可以参考，真实的性能对比还要看具体应用。

        M23是基于最新的ARMv8-M构架的主要关注低功耗应用的微控制器，未来会是M0、M0+的替代品。

        M33是基于最新的ARMv8-M构架的主要关注高能效应用的微控制器，未来会替换M3、M4。

        M7是老一点的ARMv7-M构架专注高性能的微控制器，从上图中也看得出，M7性能最强。

        具体参考下图：

              

M0+简述       

      下面简单说一下M0+，M0作为过去时的微控制器这里略过，以90nm工艺为例M0+与M0的主要区别大家能用到的主要是以下几点：

      1、M0+功耗更低，比M0低约30%，这里说的只是内核功耗，真正落到芯片上还要算上外设、时钟系统等功耗，差距并没有30%那么大。现在大家看到的M0+功耗更低更多的是来自工艺的精进上，M0早些年上市时主要是130nm/140nm/180nm工艺，而导了M0+时代更多的变成了90nm，内核&工艺两方面的改进使得M0+相比M0功耗要低得多。现在ARM官网上也挂出了40nm工艺的M0+功耗数据，几乎只有90nm工艺M0+的40%，但目前市面上还没有看到40nm工艺的M0+产品，不过估计离上市不远了。早期M0的动态功耗多集中于110uA/MHz~160uA/Mhz之间，而现在的M0+处理器，功耗已经可以做到65uA/MHz甚至更低了；

      2、流水线由3级改成2级；

      3、在M0+芯片中，GPIO是直接挂在M0+内核上的，而M0内核的芯片中，GPIO是挂在APB总线上的；这是什么意思呢？简单来说，M0+芯片中GPIO翻转速率可以达到系统内核时钟的一半，而M0的GPIO要慢得多，因为M0+内核直接访问GPIO并予以控制，M0芯片则是M0内核要先访问AHB总线，再访问APB总线，再访问GPIO才能进行控制。

                      上图为M0+处理器在三种不同工艺下内核面积、动态功耗以及性能的对比。

M4简述

       先上M4的性能表：

 

      现在主流的M4处理器基本都集中在90nm工艺的范畴上，内核动态功耗基本上是M0+的3倍多，晶元面积是M0+的4倍左右，同等主频下性能大概提升接近40%。考虑到具体应用，M0+的量产芯片大都主频较低，M4相对高不少，所以实际功耗以及性能差距会更大。随着M4的出现M3现在在市场上面的新的应用越来越少，这里就不单独介绍M3了。

       现在新的M4微控制器呈现了以下几个发展方向，代表未来几年的微控制器发展方向：

       1、高能效比：早期的M3/M4功耗大都在300+uA/MHz左右，现在新的90nmLP工艺下新的M4微控制器的功耗已经下降到100-200uA/MHz的水平，未来会更低，能效比会更高；

       2、向着更高的工艺挺进：目前我了解到NXP已经开始着手设计40nm工艺的M4处理器，国内的GD也开始尝试用55nm甚至更高的工艺设计M3/M4微控制器，一旦这些更先进工艺处理器落地，M4微控制器的价格&功耗会被大幅度拉低，M4的能效比会比现在90nm工艺的M0+更高，这会是一个相当重要的改变；

       3、安全：最近1-2年各个大的半导体厂商设计的新的微控制器很多都加入了安全单元，各种对称/非对称加密的协处理引擎被加入到新的M4控制器中，AES、SHA、3DES等，为了适应新的物联网应用，安全都是未来微控制器的设计重点，这点在新的ARMv8-M中体现尤为明显，安全特性功能是M33与M4最大的区别，以后我们找机会单独说M23与M33。

       4、SOC/SIP化：这点体现的最早，基本上从M3时代，M0/M3就被大量SOC化，市面上大量的无线SOC都是M0/M3/M4内核，国内近1-2年大量厂商开始试水SIP，国内目前大量SIP芯片内部集成了M0/M3/M4裸片。

M7简述

       目前市面上量产的M7芯片并不多，只有ST、ATMEL、NXP有少数几个型号；

     

       M7性能非常彪悍，几乎比同主频下的M4提升近50%（M7的六级超标量流水线真不是盖的~），NXP新量产的i.MXRT1050（据说是40nm工艺）系列M7处理器甚至飙到了3000+的CoreMark，以前的传统M3/M4的CoreMark超过300的都凤毛麟角，M7一下子把Cortex-M系列微控制器的性能提升了至少10倍，但目前从市场占有率来说，M7还比较新应用还偏狭窄，未来可以畅想的空间还很大。

       这篇里面扯了比较多的废话，以后的文章会重点从技术底层细节着手，扯更多的蛋。