Cortex系列M0-4簡單對比

【轉貼】Cortex系列M0-4簡單對比

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針對目前進入大眾視野的M0、M3、M4做了如下簡單對比，內容來自ARM等官網，這里僅僅是整理了下，看起來更直觀點，呵呵。

Cortex-M 系列針對成本和功耗敏感的 MCU 和終端應用（如智能測量、人機接口設備、汽車和工業控制系統、大型家用電器、消費性產品和醫療器械）的混合信號設備進行過優化。.

一、比較 Cortex-M 處理器

Cortex-M 系列處理器都是二進制向上兼容的，這使得軟件重用以及從一個 Cortex-M 處理器無縫發展到另一個成為可能。

M Cortex-M 技術

CMSIS

ARM Cortex 微控制器軟件接口標准 (CMSIS) 是 Cortex-M 處理器系列的與供應商無關的硬件抽象層。 使用 CMSIS，可以為接口外設、實時操作系統和中間件實現一致且簡單的軟件接口，從而簡化軟件的重用、縮短新微控制器開發人員的學習過程，並縮短新產品的上市時間。

深入：嵌套矢量中斷控制器 (NVIC)

NVIC 是 Cortex-M 處理器不可或缺的部分，它為處理器提供了卓越的中斷處理能力。

Cortex-M 處理器使用一個矢量表，其中包含要為特定中斷處理程序執行的函數的地址。接受中斷時，處理器會從該矢量表中提取地址。

為了減少門數並增強系統靈活性，Cortex-M 處理器使用一個基於堆棧的異常模型。出現異常時，系統會將關鍵通用寄存器推送到堆棧上。完成入棧和指令提取后，將執行中斷服務例程或故障處理程序，然后自動還原寄存器以使中斷的程序恢復正常執行。使用此方法，便無需編寫匯編器包裝器了（而這是對基於 C 語言的傳統中斷服務例程執行堆棧操作所必需的），從而使得應用程序的開發變得非常容易。NVIC 支持中斷嵌套（入棧），從而允許通過運用較高的優先級來較早地為某個中斷提供服務。

在硬件中完成對中斷的響應

Cortex-M 系列處理器的中斷響應是從發出中斷信號到執行中斷服務例程的周期數。它包括： 

• 檢測中斷
• 背對背或遲到中斷的最佳處理（參見下文）
• 提取矢量地址
• 將易損壞的寄存器入棧
• 跳轉到中斷處理程序

這些任務在硬件中執行，並且包含在為 Cortex-M 處理器報出的中斷響應周期時間中。在其他許多體系結構中，這些任務必須在軟件的中斷處理程序中執行，從而引起延遲並使得過程十分復雜。

   

NVIC 中的尾鏈

在背對背中斷的情況下，傳統系統會重復完整的狀態保存和還原周期兩次，從而導致更高的延遲。Cortex-M 處理器通過在 NVIC 硬件中實現尾鏈技術簡化了活動中斷和掛起的中斷之間的轉換。處理器狀態會在比軟件實現時間更少的周期內自動保存在中斷條目上並在中斷退出時還原，從而顯著提升低 MHz 系統的性能。

   

NVIC 對遲到的較高優先級中斷的響應

如果在為上一個中斷執行堆棧推送期間較高優先級的中斷遲到，NVIC 會立即提取新的矢量地址來為掛起的中斷提供服務，如上所示。Cortex-M NVIC 對這些可能性提供具有確定性的響應並支持遲到和搶占。

   

NVIC 進行的堆棧彈出搶占

同樣，如果異常到達，NVIC 將放棄堆棧彈出並立即為新的中斷提供服務，如上所示。通過搶占並切換到第二個中斷而不完成狀態還原和保存，NVIC 以具有確定性的方式實現了縮短延遲。

 

二、為什么選擇

1、為什么選擇Cortex-M0

能耗最低的最小 ARM 處理器

Cortex-M0 的代碼密度和能效優勢意味着它是各種應用中 8/16 位設備的自然高性價比換代產品，同時保留與功能豐富的 Cortex-M3 處理器的工具和二進制向上兼容性。

超低的能耗 

Cortex-M0 處理器在不到 12 K 門的面積內能耗僅有 85 µW/MHz（0.085 毫瓦），所憑借的是作為低能耗技術的領導者和創建超低能耗設備的主要推動者的無與倫比的 ARM 專門技術。

簡單

指令只有 56 個，這樣您便可以快速掌握整個 Cortex-M0 指令集（如果需要）；但其 C 語言友好體系結構意味着這並不是必需的。可供選擇的具有完全確定性的指令和中斷計時使得計算響應時間十分容易。

優化的連接性

設計為支持低能耗連接，如 Bluetooth Low Energy (BLE)、IEEE 802.15 和 Z-wave，特別是在這樣的模擬設備中：這些模擬設備正在增加其數字功能，以有效地預處理和傳輸數據。

2、為什么選擇Cortex-M3

提供更高的性能和更豐富的功能

於 2004 年引進、最近通過新技術進行了更新並更新了可配置性的 Cortex-M3，是專門針對微控制器應用開發的主流 ARM 處理器。

性能和能效 

具有高性能和低動態能耗，Cortex-M3 處理器提供領先的功效：在 90nmG 基礎上為 12.5 DMIPS/mW。將集成的睡眠模式與可選的狀態保留功能相結合，Cortex-M3 處理器確保對於同時需要低能耗和出色性能的應用不存在折衷。

全功能

該處理器執行 Thumb^®-2 指令集以獲得最佳性能和代碼大小，包括硬件除法、單周期乘法和位字段操作。Cortex-M3 NVIC 在設計時是高度可配置的，最多可提供 240 個具有單獨優先級、動態重設優先級功能和集成系統時鍾的系統中斷。

豐富的連接

功能和性能的組合使基於 Cortex-M3 的設備可以有效處理多個 I/O 通道和協議標准，如 USB OTG (On-The-Go)。 

3、為什么選擇Cortex-M4

目標用用：專門面向電動機控制、汽車、電源管理、嵌入式音頻和工業自動化市場的新興類別的靈活解決方案。

曾獲大獎的高能效數字信號控制

Cortex-M4 提供了無可比擬的功能，以將 32 位控制與領先的數字信號處理技術集成來滿足需要很高能效級別的市場。

易於使用的技術

Cortex-M4 通過一系列出色的軟件工具和  Cortex 微控制器軟件接口標准 (CMSIS) 使信號處理算法開發變得十分容易。

 

三、規范

1、M0

ARM Cortex-M0 處理器執行 Thumb 指令集，包括少量使用 Thumb-2 技術的 32 位指令。這是 ARM Cortex-M3 和 ARM Cortex-M4 支持的指令集的二進制向上可兼容子集。

 

2、M3

內核面積、頻率范圍和功耗取決於工藝、庫和優化。上面引用的數字是使用通用 TSMC 工藝技術和 ARM 物理IP 標准單元庫和 RAM 的合成核心的說明。面積數字包括 CM3Core、嵌套向量中斷控制器 (NVIC) 和總線矩陣，但不包括可選組件（包括內存保護單元、嵌入式跟蹤宏單元、斷點單元、數據檢測點單元和跟蹤端口接口單元）。

速度優化的實現是指為了實現目標頻率性能而做出的庫選擇、合成流決策和折衷。面積優化的實現是指為了實現目標面積密度而做出的庫選擇、合成流決策和折衷。

3、M4

內核面積、頻率范圍和功耗取決於工藝、庫和優化。上面引用的數字是使用低功耗工藝技術和 ARM 物理 IP 標准單元庫和 RAM 的合成內核的說明。面積數字包括中央內核（包括 DSP 擴展、嵌套矢量中斷控制器 (NVIC) 和總線矩陣），但不包括可選組件（包括內存保護單元、嵌入式跟蹤宏單元、斷點單元、數據檢測點單元和 Trace Port Interface Unit。

速度優化的實現是指為了實現目標頻率性能而做出的庫選擇、合成流決策和折衷。面積優化的實現是指為了實現目標面積密度而做出的庫選擇、合成流決策和折衷。

以下的一點為M4頁面特有的介紹：

系統 IP

系統 IP 組件對於在芯片上構建復雜的系統至關重要，通過利用系統 IP 組件，開發人員可以顯著縮短開發和驗證周期，從而節省成本並縮短產品的上市時間。

注：以上內容摘自http://www.arm.com/

 

 

目前部分主流廠家的產品介紹：

 

德州儀器：

1. LM3Sxxxx系列（M3）
2. LM4Fxxxx系列(M4)

 

意法半導體：

1. STM32 F0xx系列（M0 48MHZ）
2. STM32 Lxxx系列(M3 32MHZ)
3. STM32 F1xx系列(M3 72MHZ)
4. STM32 F2xx系列(M3 120MHZ)
5. STM32 F4xx系列(M4 168MHZ)

 

NXP：

1. LPC11xx LPC12xx系列（M0）
2. LPC13xx LPC17xx LPC18xx 系列（M3）
3. LPC43xx 系列（M4）

 

飛思卡爾：

1. Kinetis L系列（M0+）
2. Kinetis X系列、K系列（M4）

 

Atmel:

1. SAM3S/U/N系列（M3）
2. SAM4S系列（M4）
3. SAM7xxxx系列（ARM7）
4. SAM9xxxx系列（ARM9）

 

英飛凌：

1. XCM4000系列（M4，是英飛凌第一次推出ARM架構的MCU）