嵌入式&物联网--ARM及Cortex-M架构CPU的概述

一，关于ARM体系架构的介绍

        1.1 什么是ARM

        1.2 ARM体系架构CPU的特点

        1.3 ARM体系架构及指令集

        1.4 ARM的具体介绍

                1.4.1 ARM9的特点

                1.4.2 ARM的工作状态

                1.4.3 ARM的存储格式

                1.4.4 ARM的运行模式

二，Contex-M系列CPU

        2.1 Contex与Contex-M系列架构简介

三，关于CPU的选择

一，关于ARM体系架构的介绍

1.1 什么是ARM（Advanced RISC Machines）

（1）ARM是一家公司，靠出售芯片的IP核授权来盈利

注：IP核，即知识产权核，是一段具有特定电路功能的硬件描述语言程序。

（2）ARM是一种CPU的体系架构

1.2 ARM体系架构CPU的特点

（1）采用ARM32为指令集合Thumb指令集。CPU的指令集就是存储在CPU内部的对CPU运算进行指导和优化的硬程序；RISC相对于CISC指令集来说，即精简指令集。

（2）体积小。

（3）功耗低。

（4）成本低。

（5）性能高。

（6）集成度高

（7）种类多，应用广泛。种类繁多：从纵向来看，CPU从低端到中端再到高端，针对不同的应用都可以找到相对应的CPU来使用；从横向来看：由于存在大量的RAM架构的CPU厂家，各个厂家生成的CPU也是各有特点。总之就是能够找出一个适合某项应用的CPU。

1.3 ARM体系架构及指令集

ARM架构	ARM指令集
ARM7	ARMv4T（Newman）结构
ARM9	ARMv4T（Harvard）结构
ARM10	ARMv5T
ARM11	ARMv6T
ARM Contex	ARMv7

注：Newman结构，即冯诺依曼结构，特点：共用的数据和程序存储空间，共享存储总线。

        Harvard结构，即哈佛结构，特点：分离的数据和程序存储空间，以及分离的访问总线，取指与取数可以并发执行，有更高的效率。 

        1.4 ARM的具体介绍

        1.4.1 ARM9的特点 

        （1）采用五级流水线设计：取指，译码，执行，缓冲，写回。

取指和译码大家应该都有所了解了，这里主要介绍以下几点：

        执行：把一个操作数移位，产生ALU的结果

        缓冲：若需要则访问程序存储器，否则ALU只是缓冲一个时钟周期

        写回：将指令产生的结果写回到寄存器堆栈。

        （2）ARM9采用哈佛结构，有更高的效率.ARM7采用的是冯诺依曼结构。

        （3）引入了高速缓存和写缓存

        （4）支持MMU。MMU是存储器管理单元的缩写，是用来管理虚拟内存系统的器件。

MMU能够真正实现内存保护，增强稳定性和可靠性。

        1.4.2  ARM的工作状态

（1）ARM工作状态。此时处理器执行32位的字对齐ARM指令。

（2）Thumb工作状态。此时处理器执行16位的半字节对齐Thumb指令。

        1.4.3 ARM的存储格式

        （1）大端格式。字数据的高字节存储在低地址中，低字节存储在高地址中。

        （2）小端格式。字数据的高字节存储在高地址中，高字节存储在低地址中。 

        1.4.4 ARM的运行模式

运行模式	模式作用
用户模式（usr）	ARM处理器正常的执行状态
快速中断模式（fig）	由于高速数据传输或通道处理
外部中断模式（irg）	用于通用的中断处理
管理模式（svc）	操作系统使用的保护模式
数据访问终止模式（abt）	当数据或指令预取终止进入该模式，虚拟存储及时保护
系统模式（sys）	运行具有特权的操作系统任务

二，Contex-M系列CPU

        2.1 Contex与Contex-M系列架构简介

（1）Contex系列架构

  ARM公司在处理器ARM11以后的产品都用Contex来命名，并且分成了A,R,M三类，目的是    为了各种不同的市场需求提供服务。Contex系列架构采用ARMv7指令集。

        “A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用。

        “R”系列针对实时系统。如大家较熟悉的FreeRTOS，RT-Thread等实时操作系统。

        “M”系列针对低功耗低成本的微控制器应用。

（2）Contex-M系列架构

Contex-M系列CPU树立了全球微控制器（MCU）的设计标准。

 1. 特点：

       a.低成本；

       b. 低功耗：支持多种休眠模式（sleep），且应用更加灵活，省电。

       c.对代码量需求小：Contex-M系列架构的MCU是32位的MCU，比其他的8位或16位的设备支持的指令集密度更高，所以每个指令集完成的操作也就越多，从而就可以减小代码长度，同时对硬件的要求就没有那么高了，如存储器RAM和RAM，也降低了成本。

       d. 代码可重用性好：从纵向来看，Contex-M0采用ARMv6的指令集，Contex-M3和Contex-M4采用ARMv7的指令集，从下往上是兼容的； 从横向来看，由于Contex-M供应商都是采用的统一的指令集标准，并且都是用统一的工具进行开发，在同一体系架构的不同厂家的CPU进行移植时，对于代码的修改量是很少的。

       e. 性能强大；

       f. 可选厂家和型号多。

注：8位，16位，32位的MCU的介绍

    位数就是处理器一次性处理数据的字长。如8位的MCU，一次性就是处理一个字节（1Byte=8bit）的数据，同理，16位的MCU就是一次性能处理2个字节的数据，32位的MCU一次性能处理3个字节的数据。

 三，关于CPU的选择

（1）清楚了解项目需求

        是手持的设备还是车载设备？ ==>CPU体积的大小

        是通信设备还是检测设备？ 其他特别的需求？

（2）根据项目需求从以下几个方面进行选型

        1.CPU的性能

        2.CPU在某些功能上的工作范围及精确度

        3.CPU的价格与功耗，即性价比的问题

        4.CPU支持的接口