發揮ARM Cortex-M3和M4微控制器最大作用的要訣

引言

許多嵌入式開發人員對ARM Cortex處理器架構頗為熟悉，但很少有人能夠對這種流行架構了如指掌，從而可以充分發揮它獨特的特性和性能。新型ARM Cortex-M4處理器尤為如此，它擁有引以為豪的增強架構、天生的數字信號處理（DSP）能力和可選的浮點加速器，使精于此道的程序設計人員或硬件工程師可以充分發揮它的優勢。本文接下來將就Cortex-M3/M4微控制器（MCU）的一些更有趣的（但經常遭到忽視的）特性展開詳細的論述。

大部分采用Cortex-M3/M4 MCU的目標應用是便攜式的，并且供電電源來自電池或能源收集系統，因此我們所探討的大部分概念涉及如何減少系統整體能耗的技術。然而，在許多情況下，這些節能技術也是處理器應用設計的有力工具，可提供：

●更符合成本效益的解決方案

●更大的升級和采用新特性的設計冗余

●有助于產品在激烈競爭市場上脫穎而出的性能和特性

ARM Cortex基本介紹

就像Advanced RISC Machines（ARM）公司在20世紀80年代所推出的第一代16位處理器內核一樣，ARM Cortex系列以哈佛式RISC架構為基礎，采用適度的硅封裝工藝獲得更高性能，以及代碼和內存效率。該架構在過去十年間大有進展，擴展出了三種不同的子系列，以滿足特定應用的需求：

●A型系列處理器針對高效能開放應用平臺而優化設計。

●R型系列處理器注重提升實時應用的性能和可靠度。

●M型系列處理器特別為采用嵌入式MCU的應用而設計，其性能必須在能源效率和降低解決方案成本之間加以平衡。適用于Cortex M系列的常見應用包括智能電表、人機接口設備、汽車與工業控制系統、白色家電、消費電子產品和醫療器材等。

Cortex-M3對比Cortex-M4

Cortex-M3架構背后的指導思路是設計一種既要滿足應用的成本效益又要提供高性能計算和控制1的處理器。類似的應用包括汽車車身系統、工業控制系統和無線網絡/傳感器產品等。M3系列為32位的ARM處理器架構引進了多項重要特性，包括：

●不可屏蔽式中斷

●高度確定性、嵌套、向量式中斷

●原子位操作

●可選的存儲保護（MPU）

除了絕佳的計算性能，Cortex-M3處理器先進的中斷結構還能確保系統迅速響應真實世界的事件，同時仍然提供極低的動態與靜態功耗2.

圖1：Cortex-M3與M4處理器內核的比較。

Cortex-M3和M4處理器共享許多相同的設計要素，包括先進的片內調試特性，以及執行完整ARM指令集或ARM指令子集（用于THUMB2處理器）的能力。Cortex-M4處理器的指令集具有增強的高效DSP特性庫，包括擴展的單周期16/32位乘法累加器（MAC）、雙16位MAC指令、優化的8/16位SIMD運算及飽和運算指令。總體來說，M3與M4最顯著的差別在于，M4具有可選的單精度（IEEE-754）浮點單元（FPU）。