低成本ARM 32位MCU，開發(fā)人員面臨的兩種選擇

要使用低成本的 32位微控制器，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ARM V7架構(gòu)的最新ARM嵌入式內(nèi)核，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，使用分離的指令和數(shù)據(jù)總線(馮諾伊曼結(jié)構(gòu)下，數(shù)據(jù)和指令共用一條總線)。從本質(zhì)上來說，哈佛結(jié)構(gòu)在物理上更為復(fù)雜，但是處理速度明顯加快。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(duì)Cortex-M3的定位是：向?qū)I(yè)嵌入式市場提供低成本、低功耗的芯片。在成本和功耗方面，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)授權(quán)給各個(gè)制造商來開發(fā)具體的芯片。迄今為止，已經(jīng)有多家芯片制造商開始生產(chǎn)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(dòng)了ARM成為處理器內(nèi)核領(lǐng)域的主導(dǎo)者。眾多的制造商(據(jù)ARM宣稱，多達(dá)16家)出售基于ARM7系列的處理器以及其他配套的系統(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

除了使用哈佛結(jié)構(gòu)， Cortex-M3還具有其他顯著的優(yōu)點(diǎn)：具有更小的基礎(chǔ)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 還集成了睡眠模式和可選的完整的八區(qū)域存儲(chǔ)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(shì)在于：

免去 Thumb和ARM代碼的互相切換，對(duì)于早期的處理器來說，這種狀態(tài)切換會(huì)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結(jié)構(gòu)(預(yù)測(cè)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(shì)，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 NVIC( Nested Vector InterruptController)。相對(duì)于ARM7使用的外部中斷控制器，Cortex-M3內(nèi)核中集成了中斷控制器，芯片制造廠商可以對(duì)其進(jìn)行配置，提供基本的32個(gè)物理中斷，具有8層優(yōu)先級(jí)，最高可達(dá)到240個(gè)物理中斷和256個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)。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)寄存器，鏈接寄存器和通用寄存器壓入堆棧，中斷處理完成后，在恢復(fù)這些寄存器。堆棧處理是由硬件完成的，無需用匯編語言創(chuàng)建中斷服務(wù)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服務(wù)程序更高的優(yōu)先級(jí)，而且可以在運(yùn)行時(shí)改變優(yōu)先級(jí)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，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，提高了性能。

如果在更高優(yōu)先級(jí)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(jí)的中斷服務(wù)了。同樣的，NVIC不會(huì)用出堆棧的操作來服務(wù)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(jí)的ISR) andSLEEPDEEP modes這三種睡眠模式。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外部時(shí)鐘。

6.存儲(chǔ)器保護(hù)單元

存儲(chǔ)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)則聯(lián)系在一起。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(duì)某些進(jìn)程表現(xiàn)為只讀。還可以禁止進(jìn)程進(jìn)入存儲(chǔ)器區(qū)域。可靠性，特別是實(shí)時(shí)性因此得到重大改進(jìn)。

7.調(diào)試

對(duì) Cortex-M3 處理器系統(tǒng)進(jìn)行調(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)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)試請(qǐng)求、監(jiān)控停止操作或繼續(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(huì)更高)。

你會(huì)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，芯片廠商可以加入不同類型、大小的存儲(chǔ)器和其他外圍設(shè)備，比如串行接口、總線控制器、存儲(chǔ)器控制器和圖形單元，并針對(duì)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，比如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(chǔ)器。每一個(gè)系列都針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域，具有不同外設(shè)集合。比如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則是面向于消費(fèi)市場以及高端的工業(yè)應(yīng)用，它具有多個(gè)通信接口，比如USB， CAN， ISO7816以及4個(gè)UART，還有大容量的存儲(chǔ)器和一個(gè)外部存儲(chǔ)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，比如采用 ARM的 嵌入式跟蹤宏單元 ETM( Embedded Trace Macrocell )，并提供開發(fā)和調(diào)試工具。

截止至這篇文章寫作之時(shí)， 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也宣布生產(chǎn)該類產(chǎn)品。(Luminary已經(jīng)被TI收購)

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)廠商提供了基本的開發(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(dòng)，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(jí)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，比如說JTAG仿真器。

內(nèi)電路仿真器( ICE)是最早的也是最有用的調(diào)試工具形式之一，很多廠商都在ARM7上提供了這一接口。

軟件開發(fā)工具范圍很廣：從建模到可視化設(shè)計(jì)，到編譯器?，F(xiàn)在很多的產(chǎn)品也用到實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)( RTOS)和中間件，以加速開發(fā)進(jìn)程、降低開發(fā)難度。另外，還有一個(gè)非常重要的因素，很多的開發(fā)人員對(duì) ARM7的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)非常豐富。

雖然現(xiàn)在已經(jīng)有新興的 Cortex-M3 工具，但顯然還是有一定的差距。不過， Cortex-M3的集成調(diào)試性能使調(diào)試變得簡單且有效，且無需用到內(nèi)電路仿真器ICE。