1、.轉(zhuǎn) 選擇ARM處理器的ARM7還是Cortex M31.1 ARM處理器系列每個(gè)ARM處理器都有一個(gè)特定的指令集架構(gòu)ISA，而一個(gè)ISA版本又可以有多種處理器實(shí)現(xiàn)。ISA隨著嵌入式市場的需求而開展，至今已經(jīng)有多個(gè)版本。ARM公司規(guī)劃該開展過程，使得在較早的架構(gòu)版本上編寫的代碼也可以在后繼版本上執(zhí)行即代碼的兼容性。1.1.1命名規(guī)那么早期ARM使用如圖1.1所示的命名規(guī)那么來描繪一個(gè)處理器。在"ARM"后的字母和數(shù)字說明了一個(gè)處理器的功能特性。隨著更多特性的增加，字母和數(shù)字的組合可能會改變。注意：命名規(guī)那么不包含體系構(gòu)造ISA的版本信息。ARMxyzTDMIEJF-Sx-系

2、列y-存儲管理/保護(hù)單元z-cache T-Thumb 16位譯碼器D-JTAG調(diào)試器M-快速乘法器I-嵌入式跟蹤宏單元E-增強(qiáng)指令基于TDMIJ-Jazelle F-向量浮點(diǎn)單元S-可綜合版本圖1.1早期ARM命名規(guī)那么關(guān)于ARM命名法那么，還有一些附加的要點(diǎn)：?ARM7TDMI之后的所有ARM內(nèi)核，即使"ARM"標(biāo)志后沒有包含那些字符，也都包括了TDMI功能特性。?處理器系列是共享一樣硬件特性的一組處理器詳細(xì)實(shí)現(xiàn)。例如，ARM7TDMI、ARM740T和ARM720T都共享一樣的系列特性，都屬于ARM7系列。?JTAG是由IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)測試訪問端口Stand

3、ard Test Access Port和邊界掃描構(gòu)造來描繪的。它是ARM用來發(fā)送和接收處理器內(nèi)核與測試儀器之間調(diào)試信息的一系列協(xié)議。?嵌入式ICE宏單元EmbeddedICE macrocell是建立在處理器內(nèi)部用來設(shè)置斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)的調(diào)試硬件。?可綜合的-意味著處理器內(nèi)核是以源代碼形式提供的，這種源代碼形式又可以被編譯成一種易于EDA工具使用的形式。隨著近年來ARM架構(gòu)的產(chǎn)品爆炸性地涌入市場，以及對于維護(hù)架構(gòu)一致性的高層次的要求，ARM重新組織了ARM架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了以ARM v7架構(gòu)的Cortex系列。1.1.2 ARM處理器系列ARM公司設(shè)計(jì)了許多處理器，它們可以根據(jù)使用的不同內(nèi)核劃分

4、到各個(gè)系列中。系列劃分是基于ARM7、ARM9、ARM10、ARM11和Cortex內(nèi)核。后綴數(shù)字7、9、10和11表示不同的內(nèi)核設(shè)計(jì)。數(shù)字的升序說明性能和復(fù)雜度的進(jìn)步。ARM8開發(fā)出來以后很快就被取代了。在每個(gè)系列中，存儲器管理、cache和TCM處理器擴(kuò)展也有多種變化。ARM繼續(xù)在可用的產(chǎn)品系列和每個(gè)系列內(nèi)部的不同變種兩方面做進(jìn)一步開發(fā)。表1.1總結(jié)了各種處理器的不同功能特性。值得注意的是，指令集架構(gòu)ISA是表達(dá)CPU核性能特點(diǎn)的重要因素，如采用v5TEJ架構(gòu)的ARM926EJ-S與采用v4T架構(gòu)的ARM920T處理器，在一樣的工作頻率下，前者的處理才能要高得多。表1.1 ARM處理器不同

5、功能特性a：E擴(kuò)展提供了增強(qiáng)的乘法指令和飽和運(yùn)算指令DSP1.1.2.1 ARM7系列ARM7內(nèi)核是馮?諾伊曼體系構(gòu)造，數(shù)據(jù)和指令使用同一條總線。內(nèi)核有一條3級流水線，執(zhí)行ARMv4指令集。ARM7TDMI是ARM公司于1995年推出的新系列中的第一個(gè)處理器內(nèi)核。是目前一個(gè)非常流行的內(nèi)核，已被用在許多32位嵌入式處理器上。它提供了非常好的性能-功耗比。ARM7TDMI處理器內(nèi)核已經(jīng)容許給許多世界頂級半導(dǎo)體公司，它是第一個(gè)包括Thumb指令集、快速乘法指令和嵌入式ICE調(diào)試技術(shù)的內(nèi)核。ARM7系列中一個(gè)重要的變化是ARM7TDMI-S。ARM7TDMI-S與標(biāo)準(zhǔn)ARM7TDMI有一樣的操作特性，

6、但它是可綜合的見2.6.1小節(jié)。ARM720T是ARM7系列中最具靈敏性的成員，因?yàn)樗艘粋€(gè)MMU。MMU的存在意味著ARM720T可以處理Linux和Microsoft嵌入式操作系統(tǒng)如WinCE。這一處理器還包括了一個(gè)8KB的統(tǒng)一cache指令/數(shù)據(jù)混合cache。向量表可以通過設(shè)置一個(gè)協(xié)處理器15CP15存放器來重定位到更高的地址。另一個(gè)成員是ARM7EJ-S處理器，它也是可綜合的。ARM7EJ-S與其他ARM7處理器有很大不同，因?yàn)樗幸粭l5級流水線，并且執(zhí)行ARMv5TEJ指令。這個(gè)版本是ARM7中唯一一個(gè)提供java加速和增強(qiáng)指令，而沒有任何存儲器保護(hù)的處理器。1.1.2.2 A

7、RM9系列ARM9系列于1997年問世。由于采用了5級指令流水線，ARM9處理器可以運(yùn)行在比ARM7更高的時(shí)鐘頻率上，進(jìn)步了處理器的整體性能。存儲器系統(tǒng)根據(jù)哈佛體系構(gòu)造重新設(shè)計(jì)，區(qū)分了數(shù)據(jù)D和指令I(lǐng)總線。ARM9系列的第一個(gè)處理器是ARM920T，它包含獨(dú)立的D+I cache和一個(gè)MMU。這個(gè)處理器可以被用在要求有虛擬存儲器虛存支持的操作系統(tǒng)上。ARM922T是ARM920T的變種，只有一半大小的D+I cache。ARM940T包括一個(gè)更小的D+I cache和一個(gè)MPU。它是針對不要求運(yùn)行平臺操作系統(tǒng)的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。ARM920T和ARM940T都執(zhí)行v4T架構(gòu)指令。ARM9系列的下一個(gè)

8、處理器是基于ARM9E-S內(nèi)核的。這個(gè)內(nèi)核是ARM9內(nèi)核帶有E擴(kuò)展的一個(gè)可綜合版本。它有二個(gè)變種：ARM946E-S和ARM966E-S。兩者都執(zhí)行v5TE架構(gòu)指令。它們也支持可選的嵌入式跟蹤宏單元ETM，它允許開發(fā)者實(shí)時(shí)跟蹤處理器上指令和數(shù)據(jù)的執(zhí)行。當(dāng)調(diào)試對時(shí)間敏感time-critical的程序段時(shí)，這種方法非常重要。ARM946E-S包括TCM、cache和一個(gè)MPU。TCM和cache的大小可配置。該處理器是針對要求有確定的實(shí)時(shí)響應(yīng)的嵌入式控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。而ARM966E有可配置的TCM，但沒有MPU和cache擴(kuò)展。ARM9產(chǎn)品線的最新內(nèi)核是ARM926EJ-S可綜合的處理器內(nèi)核，

9、發(fā)布于2000年。它是針對小型便攜式j(luò)ava設(shè)備，諸如3G手機(jī)和個(gè)人數(shù)字助理PDA應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。ARM926EJ-S是第一個(gè)包含Jazelle技術(shù)可加速java字節(jié)碼的執(zhí)行的ARM處理器內(nèi)核。它還有一個(gè)MMU、可配置的TCM，以及具有零或非零等待存儲器的D+I cache。1.1.2.3 ARM10系列ARM10發(fā)布于1999年，主要是針對高性能的設(shè)計(jì)。它把ARM9的流水線擴(kuò)展到6級，也支持可選的向量浮點(diǎn)單元VFP，它對ARM10的流水線參加了第7段。VFP明顯進(jìn)步了浮點(diǎn)運(yùn)算的性能，并與IEEE 754.1985浮點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)兼容。ARM1020E是第一個(gè)使用ARM10E內(nèi)核的處理器。像ARM9E一

10、樣，它包括了增強(qiáng)的E指令。它有獨(dú)立的32KB D+I cache、可選向量浮點(diǎn)單元VFP，以及MMU。ARM1020E還有一個(gè)雙64位總線接口以進(jìn)步性能。ARM1026EJ-S非常類似于ARM926EJ-S，但同時(shí)具有MPU和MMU。這一處理器具有ARM10的性能和ARM926EJ-S的靈敏性。1.1.2.4 ARM11系列ARM1136J-S發(fā)布于2003年，是針對高性能和高能效應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。ARM1136J-S是第一個(gè)執(zhí)行ARMv6架構(gòu)指令的處理器。它集成了一條具有獨(dú)立的load-store和算術(shù)流水線的8級流水線。ARMv6指令包含了針對媒體處理的單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD擴(kuò)展，特殊的設(shè)計(jì)

11、以進(jìn)步視頻處理性能。ARM1136JF-S就是為了進(jìn)展快速浮點(diǎn)運(yùn)算，而在ARM1136J-S增加了向量浮點(diǎn)單元。1.1.2.5 ARM Cortex系列ARM Cortex發(fā)布于2005年，為各種不同性能需求的應(yīng)用提供了一整套完好的優(yōu)化解決方案，該系列的技術(shù)劃分完全針對不同的市場應(yīng)用和性能需求。目前ARM Cortex定義了三個(gè)系列：Cortex-A系列：針對復(fù)雜OS和應(yīng)用程序如多媒體的應(yīng)用處理器。支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，強(qiáng)調(diào)高性能與合理的功耗，存儲器管理支持虛擬地址。Cortex-R系列：針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)的嵌入式處理器。支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集，強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)

12、性，存儲器管理只支持物理地址。Cortex-M系列：針對價(jià)格敏感應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式處理器，只支持Thumb-2指令集，強(qiáng)調(diào)操作確實(shí)定性，以及性能、功耗和價(jià)格的平衡。這些系列曾在ARMv7開展過程中被正式介紹過，A系列和R系列就已經(jīng)隱式地出如今早期的版本中了，以及虛擬存儲系統(tǒng)架構(gòu)VMSA和保護(hù)存儲系統(tǒng)架構(gòu)PMSA。到目前為止，Cortex系列正式發(fā)布的版本為Cortex-A8、Cortex-R4和Cortex_M3，他們?nèi)繉?shí)現(xiàn)了Thumb-2指令集或子集，可滿足不同的性能、價(jià)格市場需求。ARM Cortex-M3不支持ARM指令集，支持的指令集包括ARMv6的大部分16位Thumb指令和ARMv

13、7的Thumb-2指令集。Thumb-2指令集是一個(gè)16/32位混合指令系統(tǒng)。Cortex-M3支持的16位、32位Thumb指令要使用低本錢的32位處理器，開發(fā)人員面臨兩種選擇，基于Cortex-M3內(nèi)核或者ARM7TDMI內(nèi)核的處理器。如何做出選擇?選擇標(biāo)準(zhǔn)又是什么?本文主要介紹了ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器區(qū)別于ARM7的一些特點(diǎn)，幫助您快速選擇。1.ARM實(shí)現(xiàn)方法ARM Cortex-M3是一種基于ARM7v架構(gòu)的最新ARM嵌入式內(nèi)核，它采用哈佛構(gòu)造，使用別離的指令和數(shù)據(jù)總線馮諾伊曼構(gòu)造下，數(shù)據(jù)和指令共用一條總線。從本質(zhì)上來說，哈佛構(gòu)造在物理上更為復(fù)雜，但是處理速度明顯加快。

14、根據(jù)摩爾定理，復(fù)雜性并不是一件非常重要的事，而吞吐量的增加卻極具價(jià)值。ARM公司對Cortex-M3的定位是：向?qū)I(yè)嵌入式市場提供低本錢、低功耗的芯片。在本錢和功耗方面，Cortex-M3具有相當(dāng)好的性能，ARM公司認(rèn)為它特別適用于汽車和無線通信領(lǐng)域。和所有的ARM內(nèi)核一樣，ARM公司將內(nèi)該設(shè)計(jì)受權(quán)給各個(gè)制造商來開發(fā)詳細(xì)的芯片。迄今為止，已經(jīng)有多家芯片制造商開場消費(fèi)基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器。ARM7TDMI包括ARM7TDMIS系列的ARM內(nèi)核也是面向同一類市場的。這類內(nèi)核已經(jīng)存在了十多年之久，并推動了ARM成為處理器內(nèi)核領(lǐng)域的主導(dǎo)者。眾多的制造商出售基于ARM7系列的處理器以及其

15、他配套的系統(tǒng)軟件、開發(fā)和調(diào)試工具。在許多方面，ARM7TDMI都可以稱得上是嵌入式領(lǐng)域的實(shí)干家。2.兩者差異除了使用哈佛構(gòu)造，Cortex-M3還具有其它顯著的優(yōu)點(diǎn)：具有更小的根底內(nèi)核，價(jià)格更低，速度更快。與內(nèi)核集成在一起的是一些系統(tǒng)外設(shè)，如中斷控制器、總線矩陣、調(diào)試功能模塊，而這些外設(shè)通常都是由芯片制造商增加的。Cortex-M3還集成了睡眠形式和可選的完好的八區(qū)域存儲器保護(hù)單元。它采用THUMB-2指令集，最大限度降低了匯編器使用率。3.指令集ARM7可以使用ARM和Thumb兩種指令集，而Cortex-M3只支持最新的Thumb-2指令集。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)勢在于：免去Thumb和ARM代碼的

16、互相切換，對于早期的處理器來說，這種狀態(tài)切換會降低性能。Thumb-2指令集的設(shè)計(jì)是專門面向C語言的，且包括If/Then構(gòu)造預(yù)測接下來的四條語句的條件執(zhí)行、硬件除法以及本地位域操作。Thumb-2指令集允許用戶在C代碼層面維護(hù)和修改應(yīng)用程序，C代碼部分非常易于重用。Thumb-2指令集也包含了調(diào)用匯編代碼的功能：Luminary公司認(rèn)為沒有必要使用任何匯編語言。綜合以上這些優(yōu)勢，新產(chǎn)品的開發(fā)將更易于實(shí)現(xiàn)，上市時(shí)間也大為縮短。4.中斷Cortex-M3的另一個(gè)創(chuàng)新在于嵌套向量中斷控制器NVICNested Vector Interrupt Controller。相對于ARM7使用的外部中斷控制

17、器，Cortex-M3內(nèi)核中集成了中斷控制器，芯片制造廠商可以對其進(jìn)展配置，提供根本的32個(gè)物理中斷，具有8層優(yōu)先級，最高可到達(dá)240個(gè)物理中斷和256個(gè)中斷優(yōu)先級。此類設(shè)計(jì)是確定的且具有低延遲性，特別適用于汽車應(yīng)用。NVIC使用的是基于堆棧的異常模型。在處理中斷時(shí)，將程序計(jì)數(shù)器，程序狀態(tài)存放器，鏈接存放器和通用存放器壓入堆棧，中斷處理完成后，在恢復(fù)這些存放器。堆棧處理是由硬件完成的，無需用匯編語言創(chuàng)立中斷效勞程序的堆棧操作。中斷嵌套是可以是實(shí)現(xiàn)的。中斷可以改為使用比之前效勞程序更高的優(yōu)先級，而且可以在運(yùn)行時(shí)改變優(yōu)先級狀態(tài)。使用末尾連鎖tail-chaining連續(xù)中斷技術(shù)只需消耗三個(gè)時(shí)鐘周期

18、，相比于32個(gè)時(shí)鐘周期的連續(xù)壓、出堆棧，大大降低了延遲，進(jìn)步了性能。假設(shè)在更高優(yōu)先級的中斷到來之前，NVIC已經(jīng)壓堆棧了，那就只需要獲取一個(gè)新的向量地址，就可以為更高優(yōu)先級的中斷效勞了。同樣的，NVIC不會用出堆棧的操作來效勞新的中斷。這種做法是完全確定的且具有低延遲性。5.睡眠Cortex-M3的電源管理方案通過NVIC支持Sleep Now，Sleep on Exit，退出最低優(yōu)先級的ISR和SLEEPDEEP modes這三種睡眠形式。為了產(chǎn)生定期的中斷時(shí)間間隔，NVIC還集成了系統(tǒng)節(jié)拍計(jì)時(shí)器，這個(gè)計(jì)時(shí)器也可以作為RTOS和調(diào)度任務(wù)的心跳。這種做法與先前的ARM架構(gòu)的不同之處就在于不需要

19、外部時(shí)鐘。6.存儲器保護(hù)單元存儲器保護(hù)單元是一個(gè)可選組建。選用了這個(gè)選項(xiàng)，內(nèi)存區(qū)域就可以與應(yīng)用程序特定進(jìn)程按照其他進(jìn)程所定義的規(guī)那么聯(lián)絡(luò)在一起。例如，一些內(nèi)存可以完全被其他進(jìn)程阻止，而另外一部分內(nèi)存能對某些進(jìn)程表現(xiàn)為只讀。還可以制止進(jìn)程進(jìn)入存儲器區(qū)域?？煽啃?，特別是實(shí)時(shí)性因此得到重大改進(jìn)。7.調(diào)試對Cortex-M3處理器系統(tǒng)進(jìn)展調(diào)試和追蹤是通過調(diào)試訪問端口Debug Access Port來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)試訪問端口可以是一個(gè)2針的串行調(diào)試端口Serial Wire Debug Port或者串行JTAG調(diào)試端口Serial Wire JTAG Debug Port。通過Flash片、斷點(diǎn)單元、數(shù)據(jù)

20、觀察點(diǎn)、跟蹤單元，以及可選的嵌入式跟蹤宏單元Embedded Trace Macrocell和指令跟蹤宏單元InstrumentaTIon Trace Macrocell等一系列功能相結(jié)合，在內(nèi)核部分就可以采用多種類型的調(diào)試方法及監(jiān)控函數(shù)。例如，可以設(shè)置斷點(diǎn)、觀察點(diǎn)、定義缺省條件或執(zhí)行調(diào)試懇求、監(jiān)控停頓操作或繼續(xù)操作。所有的這些功能在ARM架構(gòu)的產(chǎn)品中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，只是Cortex-M3將這些功能整合起來，方便開發(fā)人員使用。8.應(yīng)用范圍雖然ARM7內(nèi)核并沒有像Cortex系列那樣集成很多外設(shè)，但是大量的基于ARM7的器件，從通用MCU，到面向應(yīng)用的MCU、SOC甚至是Actel公司基于ARM7內(nèi)核

21、的FPGA，都擁有更為眾多的外圍設(shè)備。大約有150種MCU是基于ARM7內(nèi)核的根據(jù)不同的統(tǒng)計(jì)方法，這個(gè)數(shù)字可能會更高。你會發(fā)現(xiàn)ARM7都可以實(shí)現(xiàn)幾乎所有的嵌入式應(yīng)用，或采用定制的方式來滿足需求?；跇?biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，芯片廠商可以參加不同類型、大小的存儲器和其他外圍設(shè)備，比方串行接口、總線控制器、存儲器控制器和圖形單元，并針對工業(yè)、汽車或者其他要求苛刻的領(lǐng)域，使用不同的芯片封裝，提供不同溫度范圍的芯片版本。芯片廠商也可能綁定特定的軟件，比方TCP/IP協(xié)議棧或面向特定應(yīng)用的軟件。例如，STMicroelectronics公司的STR7產(chǎn)品線有三個(gè)主要系列共45個(gè)成員，具有不同的封裝和存儲器。每一個(gè)系列都

22、針對特定的應(yīng)用領(lǐng)域，具有不同外設(shè)集合。比方STR730家族是專為工業(yè)和汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的，因此具有可擴(kuò)展的溫度范圍，包括多個(gè)I/O口和3個(gè)CAN總線接口。STR710那么是面向于消費(fèi)市場以及高端的工業(yè)應(yīng)用，它具有多個(gè)通信接口，比方USB、CAN、ISO7816以及4個(gè)UART，還有大容量的存儲器和一個(gè)外部存儲器接口。芯片廠商也可以選擇利于開發(fā)人員開發(fā)產(chǎn)品的措施，比方采用ARM的嵌入式跟蹤宏單元ETMEmbedded Trace Macrocell，并提供開發(fā)和調(diào)試工具。Luminary、STMicroelectronics這兩家公司已經(jīng)有基于Cortex-M3的芯片，其他公司如NXP、Atmel也宣布消費(fèi)該類產(chǎn)品。9.配套工具ARM7應(yīng)用已經(jīng)非常普及，它已經(jīng)有非常多第三方的開發(fā)和調(diào)試工具支持。在ARM的網(wǎng)站上有超過130家工具公司名稱列表。大多數(shù)廠商提供了根本的開發(fā)板，并提供下載程序的接口、調(diào)試工具以及外部設(shè)備的驅(qū)動，包括LED燈的顯示狀態(tài)或者屏幕上的單行顯示。通常，開發(fā)套件包括編譯器、一些調(diào)試軟件以及開發(fā)板。更為高級的套件包括第三方的集成開發(fā)環(huán)境IDE，IDE中包含編譯器、鏈接器、調(diào)試器、編輯器和其他工具，也可能包括仿真硬件，比方說JTAG仿真器。