ARM Cortex-M处理器入门
2017-04-19
作者：Joseph Yiu
概要
ARM Cortex-M处理器家族现在有8款处理器成员。在本文中，我们会比较Cortex-M系列处理器之间的产品特性，重点讲述如何根据产品应用选择正确的Cortex-M处理器。本文中会详细的对照Cortex-M 系列处理器的指令集和高级中断处理能力，以及 SoC系统级特性，调试和追踪功能和性能的比较。
1 简介
今天， ARM Cortex-M 处理器家族有8款处理器成员。除此之外，ARM的产品系列还有很多其他的处理器成员。对很多初学者，甚至某些芯片设计经验丰富但是不熟悉ARM系列处理器的设计者来说，也是很容易混淆这些产品的。不同的ARM 处理器有不同的指令集，系统功能和性能。本文会深入展现Cortex-M系列处理器之间的关键区别，以及它们和ARM其他系列处理器的不同。
1.1 ARM处理器家族
多年来， ARM已经研发了相当多的不同的处理器产品。 如下图中（图1）: ARM 处理器产品分为经典ARM处理器系列和最新的Cortex处理器系列。并且根据应用范围的不同，ARM处理器可以分类成3个系列。
Application Processors（应用处理器）–面向移动计算，智能手机，服务器等市场的的高端处理器。这类处理器运行在很高的时钟频率（超过1GHz），支持像Linux，Android，MS Windows和移动操作系统等完整操作系统需要的内存管理单元（MMU）。 如果规划开发的产品需要运行上述其中的一个操作系统，你需要选择ARM 应用处理器.
Real-time Processors （实时处理器）–面向实时应用的高性能处理器系列，例如硬盘控制器，汽车传动系统和无线通讯的基带控制。多数实时处理器不支持MMU，不过通常具有MPU、Cache和其他针对工业应用设计的存储器功能。实时处理器运行在比较高的时钟频率（例如200MHz 到 >1GHz ），响应延迟非常低。虽然实时处理器不能运行完整版本的Linux和Windows操作系统， 但是支持大量的实时操作系统（RTOS）。
Microcontroller Processors（微控制器处理器）–微控制器处理器通常设计成面积很小和能效比很高。通常这些处理器的流水线很短，最高时钟频率很低（虽然市场上有此类的处理器可以运行在200Mhz之上）。 并且，新的Cortex-M处理器家族设计的非常容易使用。因此，ARM 微控制器处理器在单片机和深度嵌入式系统市场非常成功和受欢迎。
表1总结了三个处理器系列的主要特征。
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表 1: 处理器特性总结
1.2 Cortex-M 处理器家族
Cortex-M处理器家族更多的集中在低性能端，但是这些处理器相比于许多微控制器使用的传统处理器性能仍然很强大。例如，Cortex-M4和Cortex-M7处理器应用在许多高性能的微控制器产品中，最大的时钟频率可以达到400Mhz。
当然，性能不是选择处理器的唯一指标。在许多应用中，低功耗和成本是关键的选择指标。因此，Cortex-M处理器家族包含各种产品来满足不同的需求：
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不同于老的经典ARM处理器（例如，ARM7TDMI, ARM9）， Cortex-M处理器有一个非常不同的架构。例如：
- 仅支持ARM Thumb®指令，已扩展到同时支持16位和32位指令Thumb-2版本
- 内置的嵌套向量中断控制负责中断处理，自动处理中断优先级，中断屏蔽，中断嵌套和系统异常处理。
- 中断处理函数可以使用标准的C语言编程，嵌套中断处理机制避免了使用软件判断哪一个中断需要响应处理。同时，中断响应速度是确定性的，低延迟的
- 向量表从跳转指令变为中断和系统异常处理函数的起始地址。
- 寄存器组和某些编程模式也做了改变。
这些变化意味着许多为经典ARM处理器编写的汇编代码需要修改，老的项目需要修改和重新编译才能迁移到Cortex-M的产品上。软件移植具体的细节记录在ARM文档：
ARM Cortex-M3 Processor Software Development for ARM7TDMI Processor Programmers
http://www.arm.com/files/pdf/Cortex-M3_programming_for_ARM7_developers.pdf
1.3Cortex-M系列处理器的共同特性
Cortex-M0, M0+, M3, M4 and M7之间有很多的相似之处，例如：
-基本编程模型 (章节 3.1)
-嵌套向量中断控制器（NVIC）的中断响应管理
-架构设计的休眠模式：睡眠模式和深度睡眠模式 (章节 4.1)
-操作系统支持特性 (章节 3.3)
-调试功能 (章节 6)
-易用性
例如，嵌套向量中断控制器是内置的中断控制器 
图 2: Cortex-M处理器的嵌套向量中断控制器
支持许多外围设备的中断输入，一个不可屏蔽的中断请求，一个来自内置时钟（SysTick）的中断请求（见章节 3.3）和一定数量的系统异常请求。NVIC处理这些中断和异常的优先级和屏蔽管理。
NVIC以及异常处理模型的更多的内容在章节3.2描述。其他Cortex-M处理器间的异同点会在本文的其余部分讲解。