低成本ARM 32位MCU，開發人員面臨的兩種選擇

要使用低成本的 32位微控制器，開發人員面臨兩種選擇，基于Cortex-M3內核或者ARM7TDMI內核的處理器。如何做出選擇?選擇標準又是什么?本文主要介紹了ARM Cortex-M3內核微控制器區別于ARM7的一些特點，幫助您快速選擇。

1.ARM實現方法

ARM Cortex-M3是一種基于ARM V7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(馮諾伊曼結構下，數據和指令共用一條總線)。從本質上來說，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值。

ARM公司對Cortex-M3的定位是：向專業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具有相當好的性能，ARM公司認為它特別適用于汽車和無線通信領域。和所有的ARM內核一樣，ARM公司將內該設計授權給各個制造商來開發具體的芯片。迄今為止，已經有多家芯片制造商開始生產基于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市場的。這類內核已經存在了十多年之久，并推動了ARM成為處理器內核領域的主導者。眾多的制造商(據ARM宣稱，多達16家)出售基于ARM7系列的處理器以及其他配套的系統軟件、開發和調試工具。在許多方面，ARM7TDMI 都可以稱得上是嵌入式領域的實干家。

2.兩者差異

除了使用哈佛結構， Cortex-M3還具有其他顯著的優點：具有更小的基礎內核，價格更低，速度更快。與內核集成在一起的是一些系統外設，如中斷控制器、總線矩陣、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，這種狀態切換會降低性能。

Thumb-2指令集的設計是專門面向C語言的，且包括If/Then結構(預測接下來的四條語句的條件執行)、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公司認為沒有必要使用任何匯編語言。

綜合以上這些優勢，新產品的開發將更易于實現，上市時間也大為縮短。

4.中斷

Cortex-M3的另一個創新在于 嵌套向量中斷控制器 NVIC( Nested Vector InterruptController)。相對于ARM7使用的外部中斷控制器，Cortex-M3內核中集成了中斷控制器，芯片制造廠商可以對其進行配置，提供基本的32個物理中斷，具有8層優先級，最高可達到240個物理中斷和256個中斷優先級。此類設計是確定的且具有低延遲性，特別適用于汽車應用。

NVIC使用的是基于堆棧的異常模型。在處理中斷時，將程序計數器，程序狀態寄存器，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，無需用匯編語言創建中斷服務程序的堆棧操作。

中斷嵌套是可以是實現的。中斷可以改為使用比之前服務程序更高的優先級，而且可以在運行時改變優先級狀態。使用末尾連鎖( tail-chaining)連續中斷技術只需消耗三個時鐘周期，相比于 32個時鐘周期的連續壓、出堆棧，大大降低了延遲，提高了性能。

如果在更高優先級的中斷到來之前， NVIC已經壓堆棧了，那就只需要獲取一個新的向量地址，就可以為更高優先級的中斷服務了。同樣的，NVIC不會用出堆棧的操作來服務新的中斷。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 (退出最低優先級的ISR) andSLEEPDEEP modes這三種睡眠模式。為了產生定期的中斷時間間隔，NVIC還集成了系統節拍計時器，這個計時器也可以作為RTOS和調度任務的心跳。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鐘。

6.存儲器保護單元

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

7.調試

對 Cortex-M3 處理器系統進行調試和追蹤是通過調試訪問端口( Debug Access Port )來實現的。調試訪問端口可以是一個 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 Flash片、斷點單元、數據觀察點、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型的調試方法及監控函數。例如，可以設置斷點、觀察點、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架構的產品中已經實現，只是 Cortex-M3 將這些功能整合起來，方便開發人員使用。

8.應用范圍

雖然 ARM7內核并沒有像Cortex系列那樣集成很多外設，但是大量的基于ARM7的器件，從通用MCU，到面向應用的MCU、SOC甚至是Actel公司基于ARM7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ARM7內核的(根據不同的統計方法，這個數字可能會更高)。

你會發現 ARM7都可以實現幾乎所有的嵌入式應用，或采用定制的方式來滿足需求。基于標準內核，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、汽車或者其他要求苛刻的領域，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協議棧或面向特定應用的軟件。

例如， STMicroelectronics公司的STR7產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用領域，具有不同外設集合。比如STR730家族是專為工業和汽車應用設計的，因此具有可擴展的溫度范圍，包括多個I/O口和3個CAN總線接口。STR710則是面向于消費市場以及高端的工業應用，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人員開發產品的措施，比如采用 ARM的 嵌入式跟蹤宏單元 ETM( Embedded Trace Macrocell )，并提供開發和調試工具。

截止至這篇文章寫作之時， Luminary、STMicroelectronics這兩家公司已經有基于Cortex-M3的芯片，其他公司如NXP、Atmel也宣布生產該類產品。(Luminary已經被TI收購)

9.配套工具

ARM7應用已經非常普及，它已經有非常多第三方的開發和調試工具支持。在ARM的網站上有超過130家工具公司名稱列表。

大多數廠商提供了基本的開發板，并提供下載程序的接口、調試工具以及外部設備的驅動，包括 LED燈的顯示狀態或者屏幕上的單行顯示。通常，開發套件包括編譯器、一些調試軟件以及開發板。更為高級的套件包括第三方的集成開發環境(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，很多廠商都在ARM7上提供了這一接口。

軟件開發工具范圍很廣：從建模到可視化設計，到編譯器。現在很多的產品也用到實時操作系統( RTOS)和中間件，以加速開發進程、降低開發難度。另外，還有一個非常重要的因素，很多的開發人員對 ARM7的開發經驗非常豐富。

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