| 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心 刁智華 引 言 隨著嵌入式技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,對嵌入式系統(tǒng)的要求越來越高,而作為嵌入式系統(tǒng)核心的微處理器也面臨日益嚴(yán)竣的挑戰(zhàn)。ARM公司從成立以來,一直以知識產(chǎn)權(quán)(IP,Intelligence Property)提供者的身份出售知識產(chǎn)權(quán),在32位RISC CPU開發(fā)領(lǐng)域中不斷取得突破,其設(shè)計的微處理器結(jié)構(gòu)已經(jīng)從v3發(fā)展到現(xiàn)在的v7。Cortex系列處理器是基于ARMv7架構(gòu)的,分為Cortex-M、Cortex-R和Cortex-A三類。ARM系列微處理器的核心及體系結(jié)構(gòu)如表1所列。 
1 ARM Cortex處理器技術(shù)特點 ARMv7架構(gòu)是在ARMv6架構(gòu)的基礎(chǔ)上誕生的。該架構(gòu)采用了Thumb-2技術(shù),它是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,并且保持了對現(xiàn)存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術(shù)比純32位代碼少使用31％的內(nèi)存,減小了系統(tǒng)開銷。同時能夠提供比已有的基于Thumb技術(shù)的解決方案高出38％的性能。ARMv7架構(gòu)還采用了NEON技術(shù),將DSP和媒體處理能力提高了近4倍,并支持改良的浮點運(yùn)算,滿足下一代3D圖形、游戲物理應(yīng)用以及傳統(tǒng)嵌入式控制應(yīng)用的需求。此外,ARMv7還支持改良的運(yùn)行環(huán)境,以迎合不斷增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptive Compilation)技術(shù)的使用。 在與早期的ARM處理器軟件兼容性方面,ARMv7架構(gòu)在設(shè)計時充分考慮到了。ARM Cortex-M系列支持Thumb-2指令集(Thumb指令集的擴(kuò)展集),可以執(zhí)行所有已存的為早期處理器編寫的代碼。通過一個前向的轉(zhuǎn)換方式,為ARM Cortex-M系列處理器所寫的用戶代碼可以與ARM Cortex-R系列微處理器完全兼容。ARMCortex-M系列系統(tǒng)代碼(如實時操作系統(tǒng))可以很容易地移植到基于ARM Cortex-R系列的系統(tǒng)上。ARMCortex-A和Cortex-R系列處理器還支持ARM 32位指令集,向后完全兼容早期的ARM處理器,包括從1995年發(fā)布的ARM7TDMI處理器到2002年發(fā)布的ARMll處理器系列。圖1為v5～v7架構(gòu)的處理器技術(shù)比較。由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同,基于v7架構(gòu)的Cortex處理器系列所采用的技術(shù)也不相同。  在命名方式上,基于ARMv7架構(gòu)的ARM處理器已經(jīng)不再延用過去的數(shù)字命名方式,而是冠以Cortex的代號�；趘7A的稱為"Cortex-A系列",基于v7R的稱為"Cortex-R系列",基于v7M的稱為"Cortex-M3"。 2 ARM Cortex-M3處理器技術(shù)特點 ARM Cortex-M3處理器是為存儲器和處理器的尺寸對產(chǎn)品成本影響極大的各種應(yīng)用專門開發(fā)設(shè)計的,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它整合了多種技術(shù),減少使用內(nèi)存,并在極小的RISC內(nèi)核上提供低功耗和高性能,可實現(xiàn)由以往的代碼向32位微控制器的快速移植。ARM Cortex-M3處理器是使用最少門數(shù)的ARM CPU,相對于過去的設(shè)計大大減小了芯片面積,可減小裝置的體積或采用更低成本的工藝進(jìn)行生產(chǎn),僅33 000門的內(nèi)核性能可達(dá)1.2DMIPS／MHz。此外,基本系統(tǒng)外設(shè)還具備高度集成化特點,集成了許多緊耦合系統(tǒng)外設(shè),合理利用了芯片空間,使系統(tǒng)滿足下一代產(chǎn)品的控制需求。 
ARM Cortex-M3處理器結(jié)合了執(zhí)行Thumb-2指令的32位哈佛微體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)外設(shè),包括Nested Vec-tored Interrupt Controller和Arbiter總線。該技術(shù)方案在測試和實例應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的性能：在臺機(jī)電180 nm工藝下,芯片性能達(dá)1.2 DMIPS／MHz,時鐘頻率高達(dá)100 MHz。Cortex-M3處理器還實現(xiàn)了Tail-Chaining中斷技術(shù)。該技術(shù)是一項完全基于硬件的中斷處理技術(shù),最多可減少12個時鐘周期數(shù),在實際應(yīng)用中可減少70％中斷;推出了新的單線調(diào)試技術(shù),避免使用多引腳進(jìn)行JTAG調(diào)試,并全面支持RealView編譯器和RealView調(diào)試產(chǎn)品。RealView工具向設(shè)計者提供模擬、創(chuàng)建虛擬模型、編譯軟件、調(diào)試、驗證和測試基于ARMv7架構(gòu)的系統(tǒng)等功能。 為微控制器應(yīng)用而開發(fā)的Cortex-M3擁有以下性能： 實現(xiàn)單周期Flash應(yīng)用最優(yōu)化; 準(zhǔn)確快速地中斷處理,永不超過12周期,僅6周期tail-chaining(末尾連鎖); 有低功耗時鐘門控(Clock Cating)的3種睡眠模式; 單周期乘法和乘法累加指令; ARM Thumb-2混合的16／32位同有指令集,無模式轉(zhuǎn)換; 包括數(shù)據(jù)觀察點和Flash補(bǔ)丁在內(nèi)的高級調(diào)試功能; 原子位操作,在一個單一指令中讀�。薷模帉�; 1.25 DMIPS／MHz(與O.9DMIPS／MHz的ARM7和1.1 DMIPS／MHz的ARM9相比)。 3 ARM Cortex-R處理器技術(shù)特點 ARM Cortex-R系列處理器目前包括ARM Cortex-R4和ARM Cortex-R4F兩個型號,主要適用于實時系統(tǒng)的嵌入式處理器。 3.1 ARM Cortex-R4處理器技術(shù)特點 Cortex-R4處理器結(jié)構(gòu)如圖3所示。該處理器支持手機(jī)、硬盤、打印機(jī)及汽車電子設(shè)計,能協(xié)助新一代嵌入式產(chǎn)品快速執(zhí)行各種復(fù)雜的控制算法與實時工作的運(yùn)算;可通過內(nèi)存保護(hù)單元(MPU,Memory Protection Unit)、高速緩存以及緊密耦合內(nèi)存(TCM,Tightly Coupled Memory)讓處理器針對各種不同的嵌入式應(yīng)用進(jìn)行最佳化調(diào)整,且不影響基本的ARM指令集兼容性。這種設(shè)計能夠在延用原有程序代碼的情況下,降低系統(tǒng)的成本與復(fù)雜度,同時其緊密耦合內(nèi)存功能也能提供更小的規(guī)格及更高效率的整合,并帶來快速的響應(yīng)時間。 |
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