ARM7 VS Cortex-M3

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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。示例,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。

7.调试

对Cortex-M3处理器系统进行调试和追踪是通过调试访问端口(Debug Access Port)来实现的。调试访问端口可以是一个2针的串行调试端口(Serial Wire Debug Port)或者串行JTAG调试端口(Serial Wire JTAG Debug Port)。通过Flash片、断点单元、数据观察点、跟踪单元,以及可选的嵌入式跟踪宏单元(Embedded Trace Macrocell)和指令跟踪宏单元(Instrumentation Trace Macrocell)等一系列功能相结合,在内核部分就可以采用多种类型的调试方法及监控函数。示例,可以设置断点、观察点、定义缺省条件或执行调试请求、监控停止操作或继续操作。所有的这些功能在ARM架构的产品中已经实现,只是Cortex-M3将这些功能整合起来,方便开发人员使用。

8.应用范围

虽然ARM7内核并没有像Cortex系列那样集成很多外设,但是大量的基于ARM7的器件,从通用MCU,到面向应用的MCU、SOC甚至是Actel公司基于ARM7内核的FPGA,都拥有更为众多的外围设备。大约有150种MCU是基于ARM7内核的(根据不同的统计方法,这个数字可能会更高)。

你会发现ARM7都可以实现几乎所有的嵌入式应用,或采用定制的方式来满足需求。基于标准内核,芯片厂商可以加入不同类型、大小的存储器和其他外围设备,比如串行接口、总线控制器、存储器控制器和图形单元,并针对工业、汽车或者其他要求苛刻的领域,使用不同的芯片封装,提供不同温度范围的芯片版本。芯片厂商也可能绑定特定的软件,比如TCP/IP协议栈或面向特定应用的软件。

示例,STMicroelectronics公司的STR7产品线有三个主要系列共45个成员,具有不同的封装和存储器。每一个系列都针对特定的应用领域,具有不同外设集合。比如STR730家族是专为工业和汽车应用设计的,因此具有可扩展的温度范围,包括多个I/O口和3个CAN总线接口。STR710则是面向于消费市场以及高端的工业应用,它具有多个通信接口,比如USB、CAN、ISO7816以及4个UART,还有大容量的存储器和一个外部存储器接口。

芯片厂商也可以选择利于开发人员开发产品的措施,比如采用ARM的嵌入式跟踪宏单元ETM(Embedded Trace Macrocell),并提供开发和调试工具。

Luminary、STMicroelectronics这两家公司已经有基于Cortex-M3的芯片,其他公司如NXP、Atmel也宣布生产该类产品。

9.配套工具

ARM7应用已经非常普及,它已经有非常多第三方的开发和调试工具支持。在ARM的网站上有超过130家工具公司名称列表。

大多数厂商提供了基本的开发板,并提供下载程序的接口、调试工具以及外部设备的驱动,包括LED灯的显示状态或者屏幕上的单行显示。通常,开发套件包括编译器、一些调试软件以及开发板。更为高级的套件包括第三方的集成开发环境(IDE),IDE中包含编译器、链接器、调试器、编辑器和其他工具,也可能包括仿真硬件,比如说JTAG仿真器。内电路仿真器(ICE)是最早的也是最有用的调试工具形式之一,很多厂商都在ARM7上提供了这一接口。

软件开发工具范围很广:从建模到可视化设计,到编译器。现在很多的产品也用到实时操作系统(RTOS)和中间件,以加速开发进程、降低开发难度。另外,还有一个非常重要的因素,很多的开发人员对ARM7的开发经验非常丰富。
虽然现在已经有新兴的Cortex-M3工具,但显然还是有一定的差距。不过,Cortex-M3的集成调试性能使调试变得简单且有效,且无需用到内电路仿真器ICE。

10.决策

那么,你应该如何做出何种选择呢?如果成本是最主要考虑因素,您应该选择Cortex-M3;如果在低成本的情况下寻求更好的性能和改进功耗,您最好考虑选用Cortex-M3;特别是如果你的应用是汽车和无线领域,最好也采用Cortex-M3,这正是Coretex-M3的主要定位市场。

由于Cortex-M3内核中的多种集成元素以及采用Thumb-2指令集,其开发和调试比ARM7TDMI要简单快捷。然而,由于重定义ARM7TDMI的应用不是一件困难的事,特别是在使用了RTOS的情况下。保守者可能会沿用ARM7TDMI内核的芯片,并避免使用那些会使重定义变得复杂的功能。

IAR Systems公司是最早做C编译器的厂商,提供一系列ARM开发工具,包括IAR visualSTATE 建模工具、IAR Embedded Workbench for ARM集成开发环境、IAR PowerPac实时操作系统和中间件、J-Link硬件仿真工具以及开发套件。不管用户的选择是ARM7还是Cortex-M3,IAR都会让开发变得简单而有趣。

Cortex-M3和ARM7的比较

比较项目 ARM7 Cortex-M3
架构 ARMv4T(冯诺依曼)
指令和数据总线共用,会出现瓶颈
ARMv7-M(哈佛)
指令和数据总线分开,无瓶颈
指令集 32位ARM指令+16位Thumb指令
两套指令之间需要进行状态切换
Thumb/Thumb-2指令集 16位和32位
指令可直接混写,无需状态切换
流水线 3级流水线 若出现转移则需要刷新流水线,损失惨重 3级流水线+分支预测 出现转移时流水线无需刷新,几乎无损失
性能 0.95DMIPS/MHz(ARM模式) 1.25DMIPS/MHz
功耗 0.28mW/MHz 0.19mW/MHz
低功耗模式 内置睡眠模式
面积 0.62mm2(仅内核) 0.86mm2(内核+外设)
中断 普通中断IRQ和快速中断FIQ太少,大量外设不得不复用中断 不可屏蔽中断NMI+1-240个物理中断
每个外设都可以独占一个中断,效率高
中断延迟 24-42个时钟周期,缓慢 12个时钟周期,最快只需6个
中断压栈 软件手工压栈,代码长且效率低 硬件自动压栈,无需代码且效率高
存储器保护 8段存储器保护单元(MPU)
内核寄存器 寄存器分为多组、结构复杂、占核面积多 寄存器不分组(SP除外),结构简单
工作模式 7种工作模式,比较复杂 只有线程模式和处理模式两种,简单
乘除法指令 多周期乘法指令,无除法指令 单周期乘法指令,2-12周期除法指令
位操作 无 访问外设寄存器需分“读-改-写”3步走 先进的Bit-band位操作技术,可直接访问外设寄存器的某个值
系统节拍定时 内置系统节拍定时器,有利于操作系统移植