嵌入式系统课程笔记02 ARM Cortex-M处理器

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分类专栏： 嵌入式系统 文章标签： arm开发 学习 嵌入式硬件
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版权

02 ARM Cortex-M处理器

文章目录

理论

概述

ARM（Advanced RISC Machine）

名称

一类微处理器的统称+公司的名字+一类技术的名称

RISC（精简指令集）

ARM 处理器采用RISC（精简指令集）结构，RISC 处理器简化了处理器结构、减少了复杂功能的指令，同时支持处理器扩展。

特点
小体积、低功耗、低成本、高性能
支持Thumb（16bit）/ARM（32bit）双指令集，能很好地兼顾性能与代码密度

Thumb指令集比ARM指令集有更高的代码密度

编写具有同样功能的一段代码，编译器编译后，占用的空间越大，则代码密度低，也就是效率低。反之，代码密度高，执行效率高。

大量使用寄存器，指令执行速度更快
大多数数据操作都在寄存器中完成，更多单周期指令，便于指令流水线执行
寻址方式灵活简单，执行效率高
指令长度固定

ARM体系结构版本

ARM处理器

ARM体系结构版本

ARM 处理器真正的版本是以体系结构（指令集架构）的版本号来区分的。到目前为止，已经发布了V1～V8
共8 个版本。

1. V1架构(ARM1)

-基本的数据处理指令（无乘法）

-字节、半字和字的Load/Store指令

-转移指令，包括子程序的调用和链接指令

-软件中断指令(Software Interrupt，SWI)

供操作系统使用

-26位寻址空间(64MB)

2. V2架构(ARM2,ARM3)

-增加乘法和乘法指令

-增加支持协处理器的操作

-增加快速中断模式

-增加SWP（Swap Word,字数据交换指令）/SWPB（Swap Byte,字节数据交换指令）的存储器和寄存器交换指令

3. V3架构(ARM6)

-增加了MRS/MSR指令，访问新增的CPSR/SPSR寄存器；

-增加了异常处理返回；

-寻址空间4GB

4. V4架构(ARM7,ARM9)

-增加符号化和非符号化半字及符号化字节的存取指令

-增加16位的Thumb指令

-完善软件中断SWI指令

-增加处理器管理模式(SVC)

5. V5架构(ARM10)

-带有链接和交换的转移BLX指令

-计数前导零CLZ指令

-BRK中断指令

-增加了一些信号处理的指令

6.V6架构

增加了SIMD功能扩展，为包括音频/视频处理在内的应用系统提供优化功能

异常处理和中断处理得以改进，实时任务处理能力增强

7. V7架构----- Cortex-M4所用

-32位、16位混合编码指令

-增强了SIMD、DSP功能扩展，为OS、音视频处理应用系统提供优化功能

8. V8架构

-ARM 公司首款支持64 位指令集的处理器架构

-包括64 位通用寄存器、SP（堆栈指针）和PC（程序计数器）64 位数据处理和扩展的虚拟寻址

V8架构支持三个主要指令集：
A32(或ARM)

32 位固定长度指令集，通过不同架构变体增强，部分32 位架构执行环境现在称为AArch32

T32(Thumb)

是以16 位固定长度指令集的形式引入的，随后在引入Thumb-2技术时增强为16 位和32 位混合长度指令集

A64

提供与ARM 和Thumb 指令集类似功能的32 位固定长度指令集，它是一种AArch64 指令集

ARM处理器核简介

ARM公司开发了许多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11、Cortex了。目前应用比较
广泛的系列是：ARM7、ARM9、ARM9、EARM10E、ARM11、SecurCore、Xscale 和Cortex系列

ARM处理器核简介(约2000~2010年)：

➢ARM7、ARM9（V4）
➢ARM10（V5，向量浮点(VFP) ）
➢ARM11（V6，350MHz~1G）

SecurCore

该系列涵盖了SC100、SC110、SC200和SC210处理核。该系列处理器主要针对新兴的安全市场，以一种全新的安全处理器设计为智能卡和其它安全IC（Integrated Circuit）开发提供独特的32位系统设计，并具有特定反伪造方法，从而有助于防止对硬件和软件的盗版。

-灵活的保护单元->确保操作系统和应用数据的安全

-采用软内核技术->防止外部对其进行扫描探测

-可集成用户自己的安全特性和其他协处理器

Xscale

Intel Xscale微控制器提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令并集成数字信号处理（DSP)指令。功耗较大，没有新发展。

Cortex
Cortex-A：Applications

用于复杂操作系统和用户应用程序，追求高时钟频率、高性能、合理功耗；

支持ARM、Thumb、Thumb-2指令集，功能强大，可运行大型OS

ARM Cortex-A 系列主要的处理器大体有：Cortex-A5 、Cortex-A8 、Cortex-A9、Cortex-A53 等

Cortex-M：MCU

追求低成本、低功耗

针对低成本应用优化的微控制器，可为超低功耗的嵌入式计算应用提供最佳解决方案;
比Cortex-R 处理器更加精简，有更短的流水线、更简单的指令集、更少的运算单元和调试单元。

Cortex-R：Real time

实时响应、合理性能、较低功耗；主要针对要求可靠性和实时响应的嵌入式系统

高性能：与高时钟频率相结合的快速处理能力；

实时：不仅要求任务响应要实时，而且要求在规定的时间内完成事件的处理；

安全：具有高容错能力的可靠且可信的系统

经济实惠：相同价位下，可实现功耗和面积的最佳性能

Cortex-M 处理器内核及功能介绍

嵌入式处理器内核

Cortex-M 处理器主要包括Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4 和Cortex-M7。

Cortex-M0

核心架构：ARMv6-M

<48MHz，32KB RAM

在这里插入图片描述

处理器内核包括寄存器组、算术逻辑单元(ALU)、数据总线和控制逻辑。寄存器组包含16 个32 位寄存器，还有一些特殊功能寄存器;

#嵌套向量中断控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）

每次最多可以处理32 个中断请求和一个不可屏蔽中断（NMI）输入。NVIC 比较正在执行中断和处于请求状态中断的优先级，然后自动执行高优先级中断。当需要处理一个中断时，NVIC 会和处理器进行通信，通知处理

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