選擇ARM處理器，ARM7還是Cortex-M3

1．ARM實(shí)現方法

ARM Cortex-M3是一種基于A(yíng)RM7v架構的最新ARM嵌入式內核，它采用哈佛結構，使用分離的指令和數據總線(xiàn)（馮諾伊曼結構下，數據和指令共用一條總線(xiàn)）。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，哈佛結構在物理上更為復雜，但是處理速度明顯加快。根據摩爾定理，復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：向專(zhuān)業(yè)嵌入式市場(chǎng)提供低成本、低功耗的芯片。在成本和功耗方面，Cortex-M3具有相當好的性能，ARM公司認為它特別適用于汽車(chē)和無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域。和所有的ARM內核一樣，ARM公司將內該設計授權給各個(gè)制造商來(lái)開(kāi)發(fā)具體的芯片。迄今為止，已經(jīng)有多家芯片制造商開(kāi)始生產(chǎn)基于Cortex-M3內核的微控制器。

ARM7TDMI（包括ARM7TDMIS）系列的ARM內核也是面向同一類(lèi)市場(chǎng)的。這類(lèi)內核已經(jīng)存在了十多年之久，并推動(dòng)了ARM成為處理器內核領(lǐng)域的主導者。眾多的制造商（據ARM宣稱(chēng)，多達16家）出售基于A(yíng)RM7系列的處理器以及其他配套的系統軟件、開(kāi)發(fā)和調試工具。在許多方面，ARM7TDMI都可以稱(chēng)得上是嵌入式領(lǐng)域的實(shí)干家。

2．兩者差異

除了使用哈佛結構， Cortex-M3 還具有其他顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：具有更小的基礎內核，價(jià)格更低，速度更快。與內核集成在一起的是一些系統如中斷控制器、總線(xiàn)矩陣、調試功能模塊，而這些外設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域存儲器保護單元。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。這樣設計的優(yōu)勢在于：

• 免去 Thumb和ARM代碼的互相切換，對于早期的處理器來(lái)說(shuō)，這種狀態(tài)切換會(huì )降低性能。

• Thumb-2指令集的設計是專(zhuān)門(mén)面向C語(yǔ)言的，且包括If/Then結構（預測接下來(lái)的四條語(yǔ)句的條件執行）、硬件除法以及本地位域操作。

• Thumb-2指令集允許用戶(hù)在C代碼層面維護和修改應用程序，C代碼部分非常易于重用。

• Thumb-2指令集也包含了調用匯編代碼的功能：Luminary公司認為沒(méi)有必要使用任何匯編語(yǔ)言。

• 綜合以上這些優(yōu)勢，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)將更易于實(shí)現，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 Interrupt Controller）。相對于A(yíng)RM7使用的外部中斷控制器，Cortex-M3內核中集成了中斷控制器，芯片制造廠(chǎng)商可以對其進(jìn)行配置，提供基本的32個(gè)物理中斷，具有8層優(yōu)先級，最高可達到240個(gè)物理中斷和256個(gè)中斷優(yōu)先級。此類(lèi)設計是確定的且具有低延遲性，特別適用于汽車(chē)應用。

NVIC使用的是基于堆棧的異常模型。在處理中斷時(shí)，將程序計數器，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，在恢復這些寄存器。堆棧處理是由硬件完成的，無(wú)需用匯編語(yǔ)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)現的。中斷可以改為使用比之前服務(wù)程序更高的優(yōu)先級，而且可以在運行時(shí)改變優(yōu)先級狀態(tài)。使用末尾連鎖（ tail-chaining ）連續中斷技術(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)先級的中斷到來(lái)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)先級的中斷服務(wù)了。同樣的，NVIC不會(huì )用出堆棧的操作來(lái)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(guò)NVIC支持Sleep Now, Sleep on Exit (退出最低優(yōu)先級的ISR) and SLEEPDEEP modes這三種睡眠模式。

為了產(chǎn)生定期的中斷時(shí)間間隔， NVIC還集成了系統節拍計時(shí)器，這個(gè)計時(shí)器也可以作為RTOS和調度任務(wù)的心跳。這種做法與先前的ARM架構的不同之處就在于不需要外部時(shí)鐘。

6．存儲器保護單元

存儲器保護單元是一個(gè)可選組建。選用了這個(gè)選項，內存區域就可以與應用程序特定進(jìn)程按照其他進(jìn)程所定義的規則聯(lián)系在一起。例如，一些內存可以完全被其他進(jìn)程阻止，而另外一部分內存能對某些進(jìn)程表現為只讀。還可以禁止進(jìn)程進(jìn)入存儲器區域?？煽啃?，特別是實(shí)時(shí)性因此得到重大改進(jìn)。7．調試

對 Cortex-M3 處理器系統進(jìn)行調試和追蹤是通過(guò)調試訪(fǎng)問(wèn)端口（ Debug Access Port ）來(lái)實(shí)現的。調試訪(fǎng)問(wèn)端口可以是一個(gè) 2針的串行調試端口（ Serial Wire Debug Port ）或者串行 JTAG調試端口（ Serial Wire JTAG Debug Port ）。通過(guò) Flash片、斷點(diǎn)單元、數據觀(guān)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 ）等一系列功能相結合，在內核部分就可以采用多種類(lèi)型的調試方法及監控函數。例如，可以設置斷點(diǎn)、觀(guān)察點(diǎn)、定義缺省條件或執行調試請求、監控停止操作或繼續操作。所有的這些功能在 ARM架構的產(chǎn)品中已經(jīng)實(shí)現，只是 Cortex-M3 將這些功能整合起來(lái)，方便開(kāi)發(fā)人員使用。

8．應用范圍

雖然 ARM7內核并沒(méi)有像Cortex系列那樣集成很多外設，但是大量的基于A(yíng)RM7的器件，從通用MCU，到面向應用的MCU、SOC甚至是Actel公司基于A(yíng)RM7內核的FPGA，都擁有更為眾多的外圍設備。大約有150種MCU是基于A(yíng)RM7內核的（根據不同的統計方法，這個(gè)數字可能會(huì )更高）。

你會(huì )發(fā)現 ARM7都可以實(shí)現幾乎所有的嵌入式應用，或采用定制的方式來(lái)滿(mǎn)足需求?；跇藴蕛群?，芯片廠(chǎng)商可以加入不同類(lèi)型、大小的存儲器和其他外圍設備，比如串行接口、總線(xiàn)控制器、存儲器控制器和圖形單元，并針對工業(yè)、汽車(chē)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(chǎng)商也可能綁定特定的軟件，比如TCP/IP協(xié)議?；蛎嫦蛱囟☉玫能浖?。

例如， STMicroelectronics公司的STR7產(chǎn)品線(xiàn)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)系列都針對特定的應用領(lǐng)域，具有不同外設集合。比如STR730家族是專(zhuān)為工業(yè)和汽車(chē)應用設計的，因此具有可擴展的溫度范圍，包括多個(gè)I/O口和3個(gè)CAN總線(xiàn)接口。STR710則是面向于消費市場(chǎng)以及高端的工業(yè)應用，它具有多個(gè)通信接口，比如USB, CAN, ISO7816以及4個(gè)UART，還有大容量的存儲器和一個(gè)外部存儲器接口。

芯片廠(chǎng)商也可以選擇利于開(kāi)發(fā)人員開(kāi)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(kāi)發(fā)和調試工具。

截止至這篇文章寫(xiě)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(lèi)產(chǎn)品。

9．配套工具

ARM7應用已經(jīng)非常普及，它已經(jīng)有非常多第三方的開(kāi)發(fā)和調試工具支持。在A(yíng)RM的網(wǎng)站上有超過(guò)130家工具公司名稱(chēng)列表。

大多數廠(chǎng)商提供了基本的開(kāi)發(fā)板，并提供下載程序的接口、調試工具以及外部設備的驅動(dòng)，包括 LED燈的顯示狀態(tài)或者屏幕上的單行顯示。通常，開(kāi)發(fā)套件包括編譯器、一些調試軟件以及開(kāi)發(fā)板。更為高級的套件包括第三方的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE），IDE中包含編譯器、鏈接器、調試器、編輯器和其他工具，也可能包括仿真硬件，比如說(shuō)JTAG仿真器。

內電路仿真器（ ICE）是最早的也是最有用的調試工具形式之一，很多廠(chǎng)商都在A(yíng)RM7上提供了這一接口。

軟件開(kāi)發(fā)工具范圍很廣：從建模到可視化設計，到編譯器?，F在很多的產(chǎn)品也用到實(shí)時(shí)操作系統（ RTOS）和中間件，以加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程、降低開(kāi)發(fā)難度。

另外，還有一個(gè)非常重要的因素，很多的開(kāi)發(fā)人員對 ARM7的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗非常豐富。

雖然現在已經(jīng)有新興的 Cortex-M3 工具，但顯然還是有一定的差距。不過(guò)， Cortex-M3的集成調試性能使調試變得簡(jiǎn)單且有效，且無(wú)到內電路仿真器ICE。

10．決策

那么，你應該如何做出何種選擇呢？如果成本是最主要考慮因素，您應該選擇 Cortex-M3；如果在低成本的情況下尋求更好的性能和改進(jìn)功耗，您最好考慮選用Cortex-M3；特別是如果你的應用是汽車(chē)和無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域，最好也采用Cortex-M3，這正是Coretex-M3的主要定位市場(chǎng)。

由于 Cortex-M3內核中的多種集成元素以及采用Thumb-2指令集，其開(kāi)發(fā)和調試比ARM7TDMI要簡(jiǎn)單快捷。

然而，由于重定義 ARM7TDMI的應用不是一件困難的事，特別是在使用了RTOS的情況下。保守者可能會(huì )沿用ARM7TDMI內核的芯片，并避免使用那些會(huì )使重定義變得復雜的功能。