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      ARM Cortex M3和M4简介

       

                      ARM Cortex M3简介

       

      ARM公司于2006年推出了Cortex M3微处理器内核。如果按ARM公司原来的ARM7ARM9ARM11等方式来命名,这款芯片的名称应该为ARM12。但是ARM公司决定用Cortex来命名,称为Cortex M3,是专门为那些对成本和功耗非常敏感但同时对性能要求又相当高的应用而设计的。Cortex M3采用ARM V7新一代架构,使用新的Thumb-2指令集,具有3级流水线,集成了分支预测,单周期乘法,硬件除法等众多功能强大特性,速度比ARM7快三分之一,功耗低四分之三,并且实现了更小芯片面积,利于将更多功能整合在更小的芯片尺寸中。

      Cortex M332位处理器内核,其内部的数据通路是32位,寄存器是32位,存储器接口也是32位。M3采用了哈佛结构,拥有独立的指令总线和数据总线,可以让取指与数据访问并行不悖,这样一来,数据访问不再占用指令总线,从而提升了性能。另一方面,指令总线和数据总线共享同一个存储器空间,具有一个统一的存储器编址系统。Cortex‐M3 处理器拥有 R0‐R15 的寄存器组,在内核中还包含了向量中断控制器,可支持嵌套和向量中断,中断可屏蔽,具有动态优先级调整功能,使中断延迟大大缩短。在传统的单片机领域中,有一些不同于通用32位微机应用的要求,如在工控领域,用户要求具有更快的中断速度,Cortex M3采用了Tail-Chaining中断技术,完全基于硬件进行中断处理,最多可减少12个时钟周期数。单片机的另外一个特点是调试工具非常便宜,针对这个特点,Cortex M3采用了新型单线调试(Single Wire)技术,专门拿出一个引脚来做调试,从而节约了大笔的调试工具费用。同时,Cortex M3中还集成了大部分存储器控制器,这样可以直接在MCU外连接Flash,降低了设计难度和应用障碍。

      Cortex M3的性能指标 

      体系结构

      ARMv7(哈佛结构)

      指令系统

      Thumb/Thumb-2指令集

      流水线

      3级流水 + 分支预测

      性能效率

      2.19 CoreMark/MHz - 1.25DMIPS/MHz

      内存保护

      带有子区域和后台区域的可选8区域MPU

      中断

      不可屏蔽中断NMI+ 1240个物理中断

      中断延迟

      12个周期

      中断间延迟

      6个周期

      中断优先级

      8256个优先级

      唤醒中断控制器

      最多240个唤醒中断

      睡眠模式

      集成的WFIWFE指令和退出时睡眠功能,睡眠和深度睡眠信号,

      随电源管理工具包提供的可选保留模式

      位操作

      集成的指令和位段

      增强的指令

      硬件除法(2-12个周期)和单周期32x32乘法。

      调试

      可选JTAG和串行线调试端口,最多8个断点和4个检测点。

      跟踪

      可选指令跟踪、数据跟踪和测量跟踪

       

      ARM Cortex M3处理器结合了多种突破性技术,在对功耗和成本非常敏感的嵌入式应用领域,可实现极高的性能,它具有33000门的内核电路,其性能可达1.2DMIPS/MHz,它集成了许多紧耦合系统外设,还大大简化了编程的复杂性,使系统能满足各种最新应用和产品的需求,并使芯片生产商能提供超低费用的芯片,使其成为各种应用方案的最佳选择。ARM Cortex M3内核的推出,使单片机开发和应用者能快速实现由8位单片机向32位单片机应用的转移。

      基于ARM Cortex M3内核的集成芯片有四大系列:TI的Stellaris系列,ST的STM32系列,NXP 的LPC1000系列和Atmel SAM3U系列。现在用的最多、最成熟的是STM32系列,其应用资料也相应是最多的。

       

      Cortex M4简介
       
          ARM公司2010年推出新款嵌入式处理器Cortex M4,这也是ARM高性能低功耗嵌入式方案的第四代产品,之前三代分别是Cortex M0/M1/M3。
          Cortex M4是一种面向数字信号处理和高级微控制器应用的高效方案,具有高效率的信号处理能力,同时还有低功耗、低成本、简单易用等特点,与Cortex M3兼容,在M3基础上强化了运算能力,提供数字信号处理(DSP)指令和浮点运算单元(FPU),并增加了并行计算、MAC等。ARM希望把Cortex M4用于数字信号控制市场,也就是既有微控制器的“控制”能力,又有DSP的“处理”能力,适合电机控制、汽车、电源管理、嵌入式音频和工业自动化等领域。
          Cortex M4处理器内集成了单循环乘法累加(MAC)单元、优化的单指令多数据(SIMD)指令、饱和算法指令和一个可选的单精度浮点运算单元(FPU),同时保留了Cortex M系列处理器所采用的创新技术,包括:高性能32位内核,处理性能最高1.25DMIPS/MHz,代码密度优化的Thumb-2指令集,负责中断处理的嵌套中断向量控制器,此外还提供了一个可选的内存保护单元(MPU),提供低成本的调试/追踪功能和集成的休眠状态,以增加灵活性。嵌入式开发者将得以快速设计并推出令人瞩目的终端产品,具备最多的功能以及最低的功耗和尺寸。
          Cortex M4技术指标:
      指令系统
      Thumb / Thumb-2指令集
      DSP扩展
      单周期16、32位MAC
      单周期双16位MAC
      8、16位SIMD运算
      硬件除法(2-12个周期)
      浮点单元
      单精度浮点单元
      符合IEEE 754
      流水线
      3级流水 + 分支预测
      性能效率
      2.19 CoreMark/MHz - 1.25 DMIPS/MHz
      内存保护
      带有子区域和后台区域的可选8区域MPU
      中断
      不可屏蔽中断 (NMI) + 1到240个物理中断
      中断优先级
      8到256个优先级
      唤醒中断控制器
      最多240个唤醒中断
      睡眠模式
      集成的WFI和WFE指令和“退出时睡眠”功能
      睡眠和深度睡眠信号
      随ARM电源管理工具包提供的可选保留模式
      位操作
      集成的指令和位段
      调试
      可选JTAG和串行线调试端口,最多8个断点和4个检测点
      跟踪
      可选指令跟踪、数据跟踪和测量跟踪
       
          嵌入式市场对于信号处理的要求已经从专用处理器转向了混合微控制器。这些产品能够提供出色的数字信号控制,同时又能为有效地进行其它处理操作提供灵活性。Cortex M4不仅具备了最佳的数字信号控制操作所需的所有功能,还结合了深受市场认可的Cortex M系列处理器的低功耗特点。

      众多厂商纷纷推出基于Cortex M4的微控制器芯片,Freescale早在2010年推出基于ARM Cortex M4内核的全新Kinetis系列,ST在2011年9月推出号称最强性能的Cortex M4系列产品STM32F4系列,主频高达168MHz,支持单周期DSP指令和浮点单元,具有更大的SRAM容量(192 KB),512KB-1MB的内部FLASH存储器以及影像、网络接口和数据加密等更先进的外设。NXP则推出了LPC4000系列的M4+M0双核架构,为DSP与MCU应用提供单一架构,TI也推出了自己的新型低功耗、浮点 Stellaris Cortex M4F微控制器系列。

       

       

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