概要

ARM Cortex-M處理器家族現(xiàn)在有8款處理器成員。在本文中，我們會比較Cortex-M系列處理器之間的產(chǎn)品特性，重點講述如何根據(jù)產(chǎn)品應用選擇正確的Cortex-M處理器。本文中會詳細的對照Cortex-M 系列處理器的指令集和高級中斷處理能力，以及 SoC系統(tǒng)級特性，調(diào)試和追蹤功能和性能的比較。

 1 簡介

       今天， ARM Cortex-M 處理器家族有8款處理器成員。除此之外，ARM的產(chǎn)品系列還有很多其他的處理器成員。對很多初學者，甚至某些芯片設計經(jīng)驗豐富但是不熟悉ARM系列處理器的設計者來說，也是很容易混淆這些產(chǎn)品的。不同的ARM 處理器有不同的指令集，系統(tǒng)功能和性能。本文會深入展現(xiàn)Cortex-M系列處理器之間的關鍵區(qū)別，以及它們和ARM其他系列處理器的不同。

1.1 ARM處理器家族

多年來， ARM已經(jīng)研發(fā)了相當多的不同的處理器產(chǎn)品。 如下圖中（圖1）: ARM 處理器產(chǎn)品分為經(jīng)典ARM處理器系列和最新的Cortex處理器系列。并且根據(jù)應用范圍的不同，ARM處理器可以分類成3個系列。

Application Processors（應用處理器）–面向移動計算，智能手機，服務器等市場的的高端處理器。這類處理器運行在很高的時鐘頻率（超過1GHz），支持像Linux，Android，MS Windows和移動操作系統(tǒng)等完整操作系統(tǒng)需要的內(nèi)存管理單元（MMU）。 如果規(guī)劃開發(fā)的產(chǎn)品需要運行上述其中的一個操作系統(tǒng)，你需要選擇ARM 應用處理器.

Real-time Processors （實時處理器）–面向?qū)崟r應用的高性能處理器系列，例如硬盤控制器，汽車傳動系統(tǒng)和無線通訊的基帶控制。多數(shù)實時處理器不支持MMU，不過通常具有MPU、Cache和其他針對工業(yè)應用設計的存儲器功能。實時處理器運行在比較高的時鐘頻率（例如200MHz 到 >1GHz ），響應延遲非常低。雖然實時處理器不能運行完整版本的Linux和Windows操作系統(tǒng)， 但是支持大量的實時操作系統(tǒng)（RTOS）。

Microcontroller Processors（微控制器處理器）–微控制器處理器通常設計成面積很小和能效比很高。通常這些處理器的流水線很短，最高時鐘頻率很低（雖然市場上有此類的處理器可以運行在200Mhz之上）。 并且，新的Cortex-M處理器家族設計的非常容易使用。因此，ARM 微控制器處理器在單片機和深度嵌入式系統(tǒng)市場非常成功和受歡迎。

表1總結(jié)了三個處理器系列的主要特征。

表 1: 處理器特性總結(jié)

1.2 Cortex-M 處理器家族

       Cortex-M處理器家族更多的集中在低性能端，但是這些處理器相比于許多微控制器使用的傳統(tǒng)處理器性能仍然很強大。例如，Cortex-M4和Cortex-M7處理器應用在許多高性能的微控制器產(chǎn)品中，最大的時鐘頻率可以達到400Mhz。

       當然，性能不是選擇處理器的唯一指標。在許多應用中，低功耗和成本是關鍵的選擇指標。因此，Cortex-M處理器家族包含各種產(chǎn)品來滿足不同的需求：

不同于老的經(jīng)典ARM處理器（例如，ARM7TDMI, ARM9）， Cortex-M處理器有一個非常不同的架構(gòu)。例如：

- 僅支持ARM Thumb?指令，已擴展到同時支持16位和32位指令Thumb-2版本

- 內(nèi)置的嵌套向量中斷控制負責中斷處理，自動處理中斷優(yōu)先級，中斷屏蔽，中斷嵌套和系統(tǒng)異常處理。

- 中斷處理函數(shù)可以使用標準的C語言編程，嵌套中斷處理機制避免了使用軟件判斷哪一個中斷需要響應處理。同時，中斷響應速度是確定性的，低延遲的

- 向量表從跳轉(zhuǎn)指令變?yōu)橹袛嗪拖到y(tǒng)異常處理函數(shù)的起始地址。

- 寄存器組和某些編程模式也做了改變。

這些變化意味著許多為經(jīng)典ARM處理器編寫的匯編代碼需要修改，老的項目需要修改和重新編譯才能遷移到Cortex-M的產(chǎn)品上。軟件移植具體的細節(jié)記錄在ARM文檔：

ARM Cortex-M3 Processor Software Development for ARM7TDMI Processor Programmers

http://www.arm.com/files/pdf/Cortex-M3_programming_for_ARM7_developers.pdf

1.3Cortex-M系列處理器的共同特性

Cortex-M0, M0+, M3, M4 and M7之間有很多的相似之處，例如：
        -基本編程模型  (章節(jié) 3.1)
       -嵌套向量中斷控制器（NVIC）的中斷響應管理
       -架構(gòu)設計的休眠模式：睡眠模式和深度睡眠模式 (章節(jié) 4.1)
       -操作系統(tǒng)支持特性 (章節(jié) 3.3)
       -調(diào)試功能 (章節(jié) 6)
       -易用性
例如，嵌套向量中斷控制器是內(nèi)置的中斷控制器

圖 2: Cortex-M處理器的嵌套向量中斷控制器

支持許多外圍設備的中斷輸入，一個不可屏蔽的中斷請求，一個來自內(nèi)置時鐘（SysTick）的中斷請求（見章節(jié) 3.3）和一定數(shù)量的系統(tǒng)異常請求。NVIC處理這些中斷和異常的優(yōu)先級和屏蔽管理。
       NVIC以及異常處理模型的更多的內(nèi)容在章節(jié)3.2描述。其他Cortex-M處理器間的異同點會在本文的其余部分講解。