選ARM7還是選Cortex-M3？

要使用低成本的 32位處理器，開發(fā)人員面臨兩種選擇，基于Cortex-M3內(nèi)核或者ARM7TDMI內(nèi)核的處理器。如何做出選擇？選擇標(biāo)準(zhǔn)又是什么？本文主要介紹了ARM Cortex-M3內(nèi)核微控制器區(qū)別于ARM7的一些特點(diǎn)，幫助您快速選擇。
1．ARM實(shí)現(xiàn)方法
ARM Cortex-M3是一種基于ARM V7架構(gòu)的最新ARM嵌入式內(nèi)核，它采用哈佛結(jié)構(gòu)，使用分離的指令和數(shù)據(jù)總線（ 馮諾伊曼結(jié)構(gòu)下，數(shù)據(jù)和指令共用一條總線）。從本質(zhì)上來說，哈佛結(jié)構(gòu)在物理上更為復(fù)雜，但是處理速度明顯加快。根據(jù)摩爾定理，復(fù)雜性并不是一件非常重要的事，而吞吐量的增加卻極具價值。
ARM公司對Cortex-M3的定位是：向?qū)I(yè)嵌入式市場提供低成本、低功耗的芯片。在成本和功耗方面，Cortex-M3具有相當(dāng)好的性能，ARM公司認(rèn)為它特別適用于汽車和無線通信領(lǐng)域。和所有的ARM內(nèi)核一樣，ARM公司將內(nèi)該設(shè)計(jì)授權(quán)給各個制造商來開發(fā)具體的芯片。迄今為止，已經(jīng)有多家芯片制造商開始生產(chǎn)基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器。
ARM7TDMI（包括ARM7TDMIS）系列的ARM內(nèi)核也是面向同一類市場的。這類內(nèi)核已經(jīng)存在了十多年之久，并推動了ARM成為處理器內(nèi)核領(lǐng)域的主導(dǎo)者。眾多的制造商（據(jù)ARM宣稱，多達(dá)16家）出售基于ARM7系列的處理器以及其他配套的系統(tǒng)軟件、開發(fā)和調(diào)試工具。在許多方面，ARM7TDMI都可以稱得上是嵌入式領(lǐng)域的實(shí)干家。
2．兩者差異
除了使用哈佛結(jié)構(gòu)， Cortex-M3 還具有其他顯著的優(yōu)點(diǎn)：具有更小的基礎(chǔ)內(nèi)核，價格更低，速度更快。與內(nèi)核集成在一起的是一些系統(tǒng)外設(shè)，如中斷控制器、總線矩陣、調(diào)試功能模塊，而這些外設(shè)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(qū)域存儲器保護(hù)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(shè)計(jì)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說，這種狀態(tài)切換會降低性能。
• Thumb-2指令集的設(shè)計(jì)是專門面向C語言的，且包括If/Then結(jié)構(gòu)（預(yù)測接下來的四條語句的條件執(zhí)行）、硬件除法以及本地位域操作。
• Thumb-2指令集允許用戶在C代碼層面維護(hù)和修改應(yīng)用程序，C代碼部分非常易于重用。
• Thumb-2指令集也包含了調(diào)用匯編代碼的功能：Luminary公司認(rèn)為沒有必要使用任何匯編語言。
• 綜合以上這些優(yōu)勢，新產(chǎn)品的開發(fā)將更易于實(shí)現(xiàn)，上市時間也大為縮短。
4．中斷
Cortex-M3的另一個創(chuàng)新在于 嵌套向量中斷控制器 NVIC（ Nested Vector Interrupt Controller）。相對于ARM7使用的外部中斷控制器，Cortex-M3內(nèi)核中集成了中斷控制器，芯片制造廠商可以對其進(jìn)行配置，提供基本的32個物理中斷，具有8層優(yōu)先級，最高可達(dá)到240個物理中斷和256個中斷優(yōu)先級。此類設(shè)計(jì)是確定的且具有低延遲性，特別適用于汽車應(yīng)用。
NVIC使用的是基于堆棧的異常模型。在處理中斷時，將程序計(jì)數(shù)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(fù)這些寄存器。堆棧處理是由硬件完成的，無需用匯編語言創(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(xiàn)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(yùn)行時改變優(yōu)先級狀態(tài)。使用末尾連鎖（ tail-chaining ）連續(xù)中斷技術(shù)只需消耗三個時鐘周期，相比于 32個時鐘周期的連續(xù)壓、出堆棧，大大降低了延遲，提高了性能。
如果在更高優(yōu)先級的中斷到來之前， NVIC已經(jīng)壓堆棧了，那就只需要獲取一個新的向量地址，就可以為更高優(yōu)先級的中斷服務(wù)了。同樣的，NVIC不會用出堆棧的操作來服務(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)生定期的中斷時間間隔， NVIC還集成了系統(tǒng)節(jié)拍計(jì)時器，這個計(jì)時器也可以作為RTOS和調(diào)度任務(wù)的心跳。這種做法與先前的ARM架構(gòu)的不同之處就在于不需要外部時鐘。
6．存儲器保護(hù)單元
存儲器保護(hù)單元是一個可選組建。選用了這個選項(xiàng)，內(nèi)存區(qū)域就可以與應(yīng)用程序特定進(jìn)程按照其他進(jìn)程所定義的規(guī)則聯(lián)系在一起。例如，一些內(nèi)存可以完全被其他進(jìn)程阻止，而另外一部分內(nèi)存能對某些進(jìn)程表現(xiàn)為只讀。還可以禁止進(jìn)程進(jìn)入存儲器區(qū)域?？煽啃裕貏e是實(shí)時性因此得到重大改進(jìn)。
7．調(diào)試
對 Cortex-M3 處理器系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和追蹤是通過調(diào)試訪問端口（ Debug Access Port ）來實(shí)現(xiàn)的。調(diào)試訪問端口可以是一個 2針的串行調(diào)試端口（ Serial Wire Debug Port ）或者串行 JTAG調(diào)試端口（ Serial Wire JTAG Debug Port ）。通過 Flash片、斷點(diǎn)單元、數(shù)據(jù)觀察點(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(jié)合，在內(nèi)核部分就可以采用多種類型的調(diào)試方法及監(jiān)控函數(shù)。例如，可以設(shè)置斷點(diǎn)、觀察點(diǎn)、定義缺省條件或執(zhí)行調(diào)試請求、監(jiān)控停止操作或繼續(xù)操作。所有的這些功能在 ARM架構(gòu)的產(chǎn)品中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，只是 Cortex-M3 將這些功能整合起來，方便開發(fā)人員使用。
8．應(yīng)用范圍
雖然 ARM7內(nèi)核并沒有像Cortex系列那樣集成很多外設(shè)，但是大量的基于ARM7的器件，從通用MCU，到面向應(yīng)用的MCU、SOC甚至是Actel公司基于ARM7內(nèi)核的FPGA，都擁有更為眾多的外圍設(shè)備。大約有150種MCU是基于ARM7內(nèi)核的（根據(jù)不同的統(tǒng)計(jì)方法，這個數(shù)字可能會更高）。
你會發(fā)現(xiàn) ARM7都可以實(shí)現(xiàn)幾乎所有的嵌入式應(yīng)用，或采用定制的方式來滿足需求?；跇?biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，芯片廠商可以加入不同類型、大小的存儲器和其他外圍設(shè)備，比如串行接口、總線控制器、存儲器控制器和圖形單元，并針對工業(yè)、汽車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。芯片廠商也可能綁定特定的軟件，比如TCP/IP協(xié)議?；蛎嫦蛱囟☉?yīng)用的軟件。
例如， STMicroelectronics公司的STR7產(chǎn)品線有三個主要系列共45個成員，具有不同的封裝和存儲器。每一個系列都針對特定的應(yīng)用領(lǐng)域，具有不同外設(shè)集合。比如STR730家族是專為工業(yè)和汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的，因此具有可擴(kuò)展的溫度范圍，包括多個I/O口和3個CAN總線接口。STR710則是面向于消費(fèi)市場以及高端的工業(yè)應(yīng)用，它具有多個通信接口，比如USB, CAN, ISO7816以及4個UART，還有大容量的存儲器和一個外部存儲器接口。
芯片廠商也可以選擇利于開發(fā)人員開發(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 ），并提供開發(fā)和調(diào)試工具。
截止至這篇文章寫作之時， 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)該類產(chǎn)品。
9．配套工具
ARM7應(yīng)用已經(jīng)非常普及，它已經(jīng)有非常多第三方的開發(fā)和調(diào)試工具支持。在ARM的網(wǎng)站上有超過130家工具公司名稱列表。
大多數(shù)廠商提供了基本的開發(fā)板，并提供下載程序的接口、調(diào)試工具以及外部設(shè)備的驅(qū)動，包括 LED燈的顯示狀態(tài)或者屏幕上的單行顯示。通常，開發(fā)套件包括編譯器、一些調(diào)試軟件以及開發(fā)板。更為高級的套件包括第三方的集成開發(fā)環(huán)境（IDE），IDE中包含編譯器、鏈接器、調(diào)試器、編輯器和其他工具，也可能包括仿真硬件，比如說JTAG仿真器。
內(nèi)電路仿真器（ ICE）是最早的也是最有用的調(diào)試工具形式之一，很多廠商都在ARM7上提供了這一接口。
軟件開發(fā)工具范圍很廣：從建模到可視化設(shè)計(jì)，到編譯器?，F(xiàn)在很多的產(chǎn)品也用到實(shí)時操作系統(tǒng)（ RTOS）和中間件，以加速開發(fā)進(jìn)程、降低開發(fā)難度。另外，還有一個非常重要的因素，很多的開發(fā)人員對 ARM7的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)非常豐富。
雖然現(xiàn)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， Cortex-M3的集成調(diào)試性能使調(diào)試變得簡單且有效，且無需用到內(nèi)電路仿真器ICE。
10．決策
那么，你應(yīng)該如何做出何種選擇呢？如果成本是最主要考慮因素，您應(yīng)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(yīng)用是汽車和無線領(lǐng)域，最好也采用Cortex-M3，這正是Coretex-M3的主要定位市場。由于 Cortex-M3內(nèi)核中的多種集成元素以及采用Thumb-2指令集，其開發(fā)和調(diào)試比ARM7TDMI要簡單快捷。
然而，由于重定義 ARM7TDMI的應(yīng)用不是一件困難的事，特別是在使用了RTOS的情況下。保守者可能會沿用ARM7TDMI內(nèi)核的芯片，并避免使用那些會使重定義變得復(fù)雜的功能。
11．IAR YellowSuite for ARM
IAR YellowSuite for ARM是一整套支持ARM的開發(fā)工具整體解決方案，包括：visualSTATE狀態(tài)機(jī)建模工具、IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境、PowerPac RTOS和中間件、仿真器等。不管選用 ARM7還是Cortex-M3，IAR的開發(fā)工具都能支持。
visualSTATE狀態(tài)機(jī)建模工具
visualSTATE是一套精致、易用的開發(fā)工具， 包含圖形設(shè)計(jì)器、測試工具包，代碼生成器和文檔生成器，用于設(shè)計(jì)、測試和實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)圖設(shè)計(jì)的嵌入式應(yīng)用。
• 基于統(tǒng)一建模語言 (UML)狀態(tài)機(jī)理論的圖形化模型設(shè)計(jì)；
• 對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行規(guī)范性驗(yàn)證，檢查系統(tǒng)的邏輯一致性，鑒別出系統(tǒng)設(shè)計(jì)漏洞或錯誤；
• 設(shè)計(jì)過程的早期階段，甚至在硬件設(shè)計(jì)尚未完成之前，就可以使用測試工具來確保應(yīng)用能按照預(yù)想方式運(yùn)行；
• 自動代碼生成功能可以生成極為緊湊的 C/C++代碼，100%與設(shè)計(jì)保持一致；
• 自動文檔生成功能提供了詳盡的信息；
• 與 IAR Embedded Workbench 無縫集成，提供多種微控制器和評估板的現(xiàn)成示例代碼；
• 通過 CSPYLink或RealLink對目標(biāo)器件進(jìn)行綜合的圖形化狀態(tài)機(jī)調(diào)試；
• 支持多種硬件調(diào)試接口，例如 J-Link、通用JTAG仿真器、NEXUS仿真器等
IAR Embedded Workbench for ARM集成開發(fā)環(huán)境
IAR Embedded Workbench for ARM集成開發(fā)環(huán)境（簡稱EWARM） 是一套支持 ARM所有處理器的集成開發(fā)環(huán)境，包含項(xiàng)目管理器、編輯器、C/C++ 編譯器 、匯編器、連接器和調(diào)試器。
IAR Embedded Workbench for ARM集成開發(fā)環(huán)境支持所有的ARM內(nèi)核，并提供大多數(shù)芯片外設(shè)計(jì)的支持：
ARM7 (ARM7TDMI, ARM7TDMI-S, ARM720T) ARM9 (ARM9TDMI, ARM920T, ARM922T, ARM940T)
ARM9E (ARM926EJ-S, ARM946E-S, ARM966E-S) ARM10E (ARM1020E, ARM1022E), ARM11
SecurCore (SC100, SC110, SC200, SC210) CortexM3, Cortex-M1 XScale
EWARM允許對用戶選擇對代碼大小或執(zhí)行速度實(shí)行多級優(yōu)化，同時還允許對項(xiàng)目中作不同的全局和局部優(yōu)化配置，以達(dá)到速度和代碼尺寸的平衡。EWARM還支持對優(yōu)化級別的微調(diào)，以及對單個函數(shù)的特定優(yōu)化配置。高級的全局優(yōu)化與針對特定芯片優(yōu)化相結(jié)合，可以生成最為緊湊、有效的代碼。
EWARM中的C-SPY調(diào)試器免費(fèi)集成了μC/OS-II等的內(nèi)核識別（Kernel Awareness）插件，通過它可以在IAR調(diào)試器中顯示μC/OS-II內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)窗口，從而了解每一個項(xiàng)目應(yīng)用中運(yùn)行任務(wù)的信息，每一個信號燈、互斥量、郵箱、隊(duì)列、事件標(biāo)志信息，以及等待上述內(nèi)核對象的所有任務(wù)列表信息。
EWARM為絕大多數(shù)ARM芯片提供了Flash Loader。當(dāng)調(diào)試器啟動時，F(xiàn)lash Loader同時被調(diào)用，自動將程序下載到Flash。Flash Loader完全集成在EWARM中，燒寫過程中無需特殊的Flash編程工具和軟件。
IAR J-Link仿真器可以直接與EWARM集成開發(fā)環(huán)境無縫連接，無需安裝任何驅(qū)動程序, 操作方便、連接方便、簡單易學(xué)，是學(xué)習(xí)開發(fā)ARM最實(shí)用的開發(fā)工具。下載速度高達(dá)800K/S，支持ARM7/9/11/Cortex-M3，并支持JTAG、SWD兩種調(diào)試接口。
IAR PowerPac RTOS和中間件家族
IAR PowerPac 家族包括 RTOS 、文件系統(tǒng)、 USB 、 TCP/IP 等協(xié)議棧，支持所有 ARM 內(nèi)核。它與 IAR Embedded Workbench 無縫集成 ， 并有大量的代碼例程和板級支持包 （ BSP） 。 其授權(quán)方式是 按座席收取License 費(fèi)， 沒有版稅 ，降低了最終用戶的風(fēng)險(xiǎn)。用戶可以自主選擇庫形式或源代碼形式的 IAR PowerPac。