基于ARM嵌入式處理器的片上系統(tǒng)解決方案可應(yīng)用于企業(yè)應(yīng)用、汽車系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)和無線技術(shù)等市場(chǎng)領(lǐng)域。ARM Cortex系列提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)來滿足以上各種技術(shù)的不同性能要求，其包含的處理器基于ARMv7架構(gòu)的三個(gè)分工明確的部分。A部分面向復(fù)雜的尖端應(yīng)用程序，用于運(yùn)行開放式的復(fù)雜操作系統(tǒng)；R部分針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；M部分為成本控制和微控制器應(yīng)用提供優(yōu)化。

Cortex-M3是ARM公司于2004年底推出的首款基于ARMv7-M架構(gòu)的處理器，它集緊湊封裝、降低功耗、簡(jiǎn)化開發(fā)于一體，是專門為了在微控制器、汽車車身系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)等對(duì)功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的。

In-Stat首席分析師Max Baron表示，最近幾年，32位微控制器工業(yè)發(fā)展神速，2005年收入比以前提高一倍，市場(chǎng)價(jià)值達(dá)到38億美元。在未來五年內(nèi)，該市場(chǎng)出貨量將比2005年提高一倍，收入將超過61億美元，Cortex-M3處理器為深嵌入式應(yīng)用市場(chǎng)提供了一款集多個(gè)優(yōu)點(diǎn)于一身的產(chǎn)品。

2006年10月在加州圣克拉拉舉行的ARM開發(fā)商大會(huì)上，意法半導(dǎo)體宣布將在其下一代32位微控制器系列產(chǎn)品內(nèi)集成ARM Cortex-M3處理器，以加快市場(chǎng)從高端的8位、16位微控制器升級(jí)到32位解決方案，為市場(chǎng)提供能夠簡(jiǎn)化開發(fā)過程、大幅度節(jié)省成本和電能的高性能微控制器。

如果按ARM公司原來的ARM7、ARM9、ARM11等方式來命名，這款芯片的名稱應(yīng)該為ARM12, 但是ARM已經(jīng)決定繼續(xù)使用Cortex系列來命名，將來還會(huì)推出針對(duì)特定應(yīng)用的Cortex系列產(chǎn)品。本文介紹Cortex-M3的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用領(lǐng)域。

一、Cortex-M3處理器的特點(diǎn)

1、通過提高效率來提高性能
處理器可通過兩種途徑來提高它的性能，一是“work hard”，也就是直接通過提高時(shí)鐘頻率來提高性能，這種情況以高功耗作為代價(jià)，并增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。另一種是“work smart”，在低時(shí)鐘頻率的情況下提高運(yùn)算效率，使處理器可以憑借簡(jiǎn)單的低功耗設(shè)計(jì)來完成與情況1中同樣的功能。Cortex-M3處理器的核心是基于哈佛架構(gòu)的3級(jí)流水線內(nèi)核，該內(nèi)核集成了分支預(yù)測(cè)，單周期乘法，硬件除法等眾多功能強(qiáng)大的特性，使其在Dhrystone benchmark上具有出色的表現(xiàn)（1.25 DMIPS/MHz）。根據(jù)Dhrystone benchmark的測(cè)評(píng)結(jié)果，采用新的Thumb-2指令集架構(gòu)的Cortex-M3處理器，與執(zhí)行Thumb指令的ARM7TDMI-S處理器相比，每兆赫的效率提高了70%，與執(zhí)行ARM指令的ARM7TDMI-S處理器相比，效率提高了35%。

2、快速有效的應(yīng)用程序開發(fā)源于簡(jiǎn)易的使用方法

縮短上市時(shí)間與降低開發(fā)成本是選擇微控制器的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，而快速和簡(jiǎn)易的軟件開發(fā)能力是實(shí)現(xiàn)這些要求的關(guān)鍵。Cortex-M3處理器專門針對(duì)快速和簡(jiǎn)單的編程而設(shè)計(jì)，用戶無需深厚的架構(gòu)知識(shí)或編寫任何匯編代碼就可以建立簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序。Cortex-M3處理器帶有一個(gè)簡(jiǎn)化的基于棧的編程模型，該模型與傳統(tǒng)的ARM架構(gòu)兼容，同時(shí)與傳統(tǒng)的8位、16位架構(gòu)所使用的系統(tǒng)相似，它簡(jiǎn)化了8位、16位到32位的轉(zhuǎn)換過程。此外，使用基于硬件的中斷機(jī)制意味著編寫中斷服務(wù)程序（handlers）不再重要。在不需要匯編代碼寄存器操作的情況下，啟動(dòng)代碼得到了大大的簡(jiǎn)化。

在位字段處理、硬件除法和If/Then指令的協(xié)助下，Thumb-2指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture-ISA）底層的關(guān)鍵特性使C 代碼的執(zhí)行變得更加自然。在開發(fā)方面，Thumb-2指令自動(dòng)優(yōu)化了性能和代碼密度，在無需交互使用ARM代碼和Thumb代碼的情況下加快了開發(fā)的進(jìn)程，簡(jiǎn)化了編譯目標(biāo)的長期維護(hù)和支持工作。如此一來，用戶不但可以繼續(xù)使用C代碼，而且還免去了建立預(yù)編譯目標(biāo)代碼庫的麻煩，代碼在更大程度上獲得了重復(fù)利用。

3、針對(duì)敏感市場(chǎng)降低成本和功耗

成本是采用高性能微控制器永恒的屏障。由于先進(jìn)的制造工藝相當(dāng)昂貴，只有降低芯片的尺寸才有可能從本質(zhì)上降低成本。為了減小系統(tǒng)區(qū)域，Cortex-M3處理器采用了至今為止最小的ARM內(nèi)核，該內(nèi)核的核心部分（0.18um G）的門數(shù)僅為33000個(gè)，它把緊密相連的系統(tǒng)部件有效地結(jié)合在一起。通過采用非對(duì)齊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、原子位操作和Thumb-2指令集，存儲(chǔ)容量的需求得到最小化，其中Thumb-2指令集對(duì)指令存儲(chǔ)容量的要求比ARM指令減少超過25%。

為了迎合對(duì)節(jié)能要求日益增長的大型家電和無線網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)，Cortex-M3處理器支持?jǐn)U展時(shí)鐘門控和內(nèi)置睡眠模式。當(dāng)采用ARM Metro標(biāo)準(zhǔn)單元庫和TSMC 0.13G制造工藝時(shí)，處理器運(yùn)行在50MHz的目標(biāo)頻率下的功耗僅為4.5mW，芯片封裝面積只有0.33mm2。

4、集成的調(diào)試和跟蹤功能

嵌入式系統(tǒng)通常不具備圖形用戶界面，軟件調(diào)試也因此成了程序員的一大難題。傳統(tǒng)上，在線仿真器（ICE）單元作為插件使用，通過大家熟悉的PC界面向系統(tǒng)提供窗口。然而，隨著系統(tǒng)體積的變小及其復(fù)雜性的增加，物理附加類似的調(diào)試單元已經(jīng)再難成為可行的方案。Cortex-M3 處理器通過其集成部件在硬件的本身實(shí)現(xiàn)了各種調(diào)試技術(shù)，使調(diào)試在具備跟蹤和分析、斷點(diǎn)、觀察點(diǎn)和代碼修補(bǔ)功能的同時(shí)，速度也獲得了有效的提高，促使產(chǎn)品可以更快地投入市場(chǎng)。此外，處理器還通過一個(gè)傳統(tǒng)的JTAG端口或一個(gè)適用于低管腳數(shù)封裝（LPC封裝）器件的2管腳串行線調(diào)試（Serial Wire Debug-SWD）端口賦予系統(tǒng)高度的可視性。

5、從ARM7升級(jí)為Cortex-M3可獲取更佳的性能和功效

在過去十年中，ARM7系列處理器被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。之后，Cortex-M3在ARM7的基礎(chǔ)上開發(fā)成功，為基于ARM7處理器系統(tǒng)的升級(jí)開辟了通道。它的中心內(nèi)核效率更高，編程模型更簡(jiǎn)單，它具有出色的確定中斷行為，其集成外設(shè)以低成本提供了更強(qiáng)大的性能。

二、Cortex-M3處理器結(jié)構(gòu)

基于ARMv7架構(gòu)的Cortex-M3處理器帶有一個(gè)分級(jí)結(jié)構(gòu)。它集成了名為CM3Core的中心處理器內(nèi)核和先進(jìn)的系統(tǒng)外設(shè)，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)置的中斷控制、存儲(chǔ)器保護(hù)以及系統(tǒng)的調(diào)試和跟蹤功能。這些外設(shè)可進(jìn)行高度配置，允許Cortex-M3處理器處理大范圍的應(yīng)用并更貼近系統(tǒng)的需求。目前Cortex-M3內(nèi)核和集成部件（圖3）已進(jìn)行了專門的設(shè)計(jì)，用于實(shí)現(xiàn)最小存儲(chǔ)容量、減少管腳數(shù)目和降低功耗。

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