ARM Cortex-M3内核微控制器与ARM7的区别

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kelly 发布于:周二, 08/02/2016 - 15:17 ,关键词:

要使用低成本的32位处理器,开发人员面临两种选择,基于Cortex-M3内核或者ARM7TDMI内核的处理器。如何做出选择?选择标准又是什么?本文主要介绍了ARM Cortex-M3内核微控制器区别于ARM7的一些特点,帮助您快速选择。

1.ARM实现方法

ARM Cortex-M3是一种基于ARM7v架构的最新ARM嵌入式内核,它采用哈佛结构,使用分离的指令和数据总线(冯诺伊曼结构下,数据和指令共用一条总线)。从本质上来说,哈佛结构在物理上更为复杂,但是处理速度明显加快。根据摩尔定理,复杂性并不是一件非常重要的事,而吞吐量的增加却极具价值。

ARM公司对Cortex-M3的定位是:向专业嵌入式市场提供低成本、低功耗的芯片。在成本和功耗方面,Cortex-M3具有相当好的性能,ARM公司认为它特别适用于汽车和无线通信领域。和所有的ARM内核一样,ARM公司将内该设计授权给各个制造商来开发具体的芯片。迄今为止,已经有多家芯片制造商开始生产基于Cortex-M3内核的微控制器。

ARM7TDMI(包括ARM7TDMIS)系列的ARM内核也是面向同一类市场的。这类内核已经存在了十多年之久,并推动了ARM成为处理器内核领域的主导者。众多的制造商出售基于ARM7系列的处理器以及其他配套的系统软件、开发和调试工具。在许多方面,ARM7TDMI都可以称得上是嵌入式领域的实干家。

2.两者差异

除了使用哈佛结构,Cortex-M3还具有其它显著的优点:具有更小的基础内核,价格更低,速度更快。与内核集成在一起的是一些系统外设,如中断控制器、总线矩阵、调试功能模块,而这些外设通常都是由芯片制造商增加的。Cortex-M3还集成了睡眠模式和可选的完整的八区域存储器保护单元。它采用THUMB-2指令集,最大限度降低了汇编器使用率。

3.指令集

ARM7可以使用ARM和Thumb两种指令集,而Cortex-M3只支持最新的Thumb-2指令集。这样设计的优势在于:

●免去Thumb和ARM代码的互相切换,对于早期的处理器来说,这种状态切换会降低性能。

●Thumb-2指令集的设计是专门面向C语言的,且包括If/Then结构(预测接下来的四条语句的条件执行)、硬件除法以及本地位域操作。

●Thumb-2指令集允许用户在C代码层面维护和修改应用程序,C代码部分非常易于重用。

●Thumb-2指令集也包含了调用汇编代码的功能:Luminary公司认为没有必要使用任何汇编语言。

●综合以上这些优势,新产品的开发将更易于实现,上市时间也大为缩短。

4.中断

Cortex-M3的另一个创新在于嵌套向量中断控制器NVIC(Nested Vector Interrupt Controller)。相对于ARM7使用的外部中断控制器,Cortex-M3内核中集成了中断控制器,芯片制造厂商可以对其进行配置,提供基本的32个物理中断,具有8层优先级,最高可达到240个物理中断和256个中断优先级。此类设计是确定的且具有低延迟性,特别适用于汽车应用。

NVIC使用的是基于堆栈的异常模型。在处理中断时,将程序计数器,程序状态寄存器,链接寄存器和通用寄存器压入堆栈,中断处理完成后,在恢复这些寄存器。堆栈处理是由硬件完成的,无需用汇编语言创建中断服务程序的堆栈操作。

中断嵌套是可以是实现的。中断可以改为使用比之前服务程序更高的优先级,而且可以在运行时改变优先级状态。使用末尾连锁(tail-chaining)连续中断技术只需消耗三个时钟周期,相比于32个时钟周期的连续压、出堆栈,大大降低了延迟,提高了性能。

如果在更高优先级的中断到来之前,NVIC已经压堆栈了,那就只需要获取一个新的向量地址,就可以为更高优先级的中断服务了。同样的,NVIC不会用出堆栈的操作来服务新的中断。这种做法是完全确定的且具有低延迟性。

5.睡眠

Cortex-M3的电源管理方案通过NVIC支持Sleep Now,Sleep on Exit,(退出最低优先级的ISR)和SLEEPDEEP modes这三种睡眠模式。

为了产生定期的中断时间间隔,NVIC还集成了系统节拍计时器,这个计时器也可以作为RTOS和调度任务的心跳。这种做法与先前的ARM架构的不同之处就在于不需要外部时钟。

6.存储器保护单元

存储器保护单元是一个可选组建。选用了这个选项,内存区域就可以与应用程序特定进程按照其他进程所定义的规则联系在一起。例如,一些内存可以完全被其他进程阻止,而另外一部分内存能对某些进程表现为只读。还可以禁止进程进入存储器区域。可靠性,特别是实时性因此得到重大改进。

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