1_ARM Cortex-M处理器简介
文章目录
- ARM Cortex-M处理器简介
-
- 什么是Cortex-M处理器
-
- Cortex-M3和M4处理器
- Cortex-M处理器家族
- 处理器和微控制器区别
- Cortex-M处理器的优势
-
- 低功耗
- 性能
- 能耗效率
- 代码密度
- 中断
- 易于使用
- 可扩展性
- 调试特性
- OS支持
- 多种系统特性
- 软件可移植性和可重用性
- 设备、工具、OS等
- ARM处理器及微控制器资源介绍
-
- ARM网站文档
ARM Cortex-M处理器简介
什么是Cortex-M处理器
Cortex-M3和M4处理器
Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器使用32位架构，寄存器组中内部寄存器，数据通路以及总线接口都是32位，使用的指令集架构(ISA)为Thumb ISA，基于Thumb-2技术并同时支持16位和32位指令。
Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器特点如下:
三级流水线设计(取指、译码、执行）哈佛总线架构，具有统一的存储器空间：指令和地址总线使用相同的地址空间。32位寻址，支持4GB存储器空间。- 基于
ARM AMBA(高级微控制器总线架构)技术的片上接口，支持高吞吐量的流水线总线操作。 - 名为
NVIC(嵌套向量中断控制器)的中断控制器，支持最多240个中断请求和8 ~ 256个中断优先级(取决于实际芯片设计) - 支持多种OS特性，如节拍定时器和影子栈指针等。
- 休眠模式和多种低功耗特性。
- 支持可选的 MPU(存储器保护单元)，提供了可编程存储器或访问权限控制等存储器保护特性。
- 可以选择使用单个或多个处理器。
Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器提供的指令如下：
- 普通数据处理，包括硬件除法指令。
- 存储器访问指令，支持8位，16位，32位和64位数据，以及其他可以传输多个32位数据的指令。
- 位域处理指令。
- 乘累加(MAC)以及饱和指令。
- 用于跳转、条件跳转以及函数调用的指令。
- 用于系统控制、支持OS等的指令。
另外Cortex-M4 处理器还支持：
- 单指令多数据(SIMD)操作。
- 其他快速MAC和乘法指令。
- 饱和运算指令。
- 可选的浮点指令(单精度)。
Cortex-M处理器家族
整个Cortex-M家族如下图所示：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-AYM0bf8o-1616487785042)(en-resource://database/2035:1)]
Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器基于 ARMv7-M架构，它们都具有高性能，且是位微控制器应用设计。M4还可以用于与执行一些数字信号处理程序。
Cortex-M0 和 Cortex-M0+ 以及 Cortex-M1基于ARMv6-M，它们指令集比较小。适合低成本微控制器产品。
Cortex-M1专门为FPGA应用设计。
处理器和微控制器区别
典型的微控制器设计中，处理器只占用芯片的一小块区域，其他部分则分为存储器、时钟生成(PLL)和分配逻辑、系统总线以及外设等，如下图所示：
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Cortex-M处理器的优势
低功耗
与其他32位微控制器设计相比,Cortex-M处理器相对较小,处理器也进行了低功耗的优化，许多控制器功耗都小于 200uA/MHz，有的还低于100uA/MHz。另外处理器还支持休眠模式特性，可以和其他先进的超低功耗设计技术配合使用，因此可以用用于各种超低功耗的控制器产品中。
性能
Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器的性能可以达到 3 CoreMark/MHz、1.25DMIPS/MHz，这样Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器就可以处理许多复杂的应用，或者使用更低的频率以降低功耗。
关于CoreMark :
CoreMark是由EEMBC(Embedded Microprocessor Benchmark Consortium)的Shay Gla-On于2009年提出的一项基准测试程序，其主要目标是测试处理器核心性能，CoreMark标准的测试方法很简单，就是在某配置参数组合下单位时间内跑了多少次CoreMark程序，其指标单位为CoreMark/MHz。CoreMark数字越高，意味着性能更高。
关于DMIPS(Dhrystone Million Instructions executed Per Second):
(Dhrystone Million Instructions executed Per Second)
能耗效率
结合前面低功耗和高性能的特点，Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器具有非常优秀的能耗效率，这意味着在有限的能量下，仍然可以进行大量的处理工作，可以提高可移动产品的电池寿命。
代码密度
Thumb ISA提供了良好的代码密度，这意味着完成同样的任务，所需的程序代码更少，因此可以选择具有较小flash的微控制器以降低成本和功耗。
中断
Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器具有可佩值得中断控制器设计，支持多大240个可嵌套向量中断和多个中断优先级，中断嵌套由硬件自动处理，具有零等待状态存储器的系统的中断等待仅为12个周期。因此适合实时控制应用。
易于使用
Cortex-M处理器具有简单、线性的存储器映射，因此几乎所有的代码都可以用C实现，包括中断处理。
可扩展性
由于处理器架构间的一致性，只需要使用一种工具链就可以很容易的重用软件。
调试特性
除了标准的调试特性，如多数微控制器都支持的但不和暂停调试，还可以生成捕获程序流、数据变动以及概况信息等的跟踪数据。对于多处理设计，每个Cortex-M处理器的调试系统可以连在一起，并共享调试链接。
OS支持
Cortex-M处理器在设计之初就考虑了OS应用，许多特性保持了OS的实现及高效运行。
多种系统特性
Cortex-M3 和 Cortex-M4 处理器支持多种系统特性，如 可位寻址存储器区域(位段特性) 和 MPU(存储保护单元)等。
软件可移植性和可重用性
由于架构对C比较友好，几乎所有的代码都可以用标准的ANSI C进行变成。CMSIS(Cortex微控制器软件接口标准)是ARM提出的，它通过提供标准的头文件以及标准的Cortex-M处理器功能的API，使得基于Cortex-M处理器的编程更加简单。提高了软件的可重用性和代码的可移植性。
设备、工具、OS等
Cortex-M微控制器支持多种软件开发调试工具、嵌入式OS及中间件，可以灵活的进行选择。
ARM处理器及微控制器资源介绍
ARM网站文档
ARM网站文档部分链接(Infocenter)：https://developer.arm.com/documentation