ARM Cortex-M底層技術(shù)（一）ARM Cortex-M系列微控制器概況

寫(xiě)在前面的話：

    近些年來(lái)ARM Cortex-M陣營(yíng)各廠商（ST、NXP、ATMEL、Freescale……）發(fā)布新產(chǎn)品的節(jié)奏越來(lái)越快，以及微控制器應(yīng)用普及程度的加深，越來(lái)越多的開(kāi)發(fā)者把更多精力投注在應(yīng)用層開(kāi)發(fā)上，花在對(duì)底層技術(shù)上的時(shí)間越來(lái)越少。小編我希望借助我之前對(duì)底層的一些積累，可以幫到大家快速的建立對(duì)Cortex-M系列處理器（M0/M0+/M3/M4/M7以及新的M23/M33）的底層技術(shù)：芯片內(nèi)核、編譯器/開(kāi)發(fā)環(huán)境底層、底層軟件、調(diào)試技術(shù)等的快速積累，可以幫助大家更好、更快、更可靠的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

ARM Cortex-M系列微控制器概況：    

    老的ARM5、ARM7、ARM9、ARM11時(shí)代的處理器都是歷史，ARM公司從ARMv6-ARMv7時(shí)代開(kāi)始ARM開(kāi)始使用A、R、M系列來(lái)命名其新的處理器。

    這里簡(jiǎn)單啰嗦幾句A和R系列處理器的概況：

    A系列為應(yīng)用處理器，其中A可以理解為Application，現(xiàn)在主流的智能手機(jī)幾乎都是ARM的A系列內(nèi)核，從早期的A8、A9、到后來(lái)的A15、A57、到現(xiàn)在的A72、A73、A75內(nèi)核。主要用于運(yùn)行iOS、Android、Linux等操作系統(tǒng)。

    R系列為實(shí)時(shí)處理器，其中R為RealTime，R7、R8等主要用于硬盤(pán)、4G通信模塊、相機(jī)等領(lǐng)域，這個(gè)系列處理器性能也非常彪悍，有興趣的童鞋可以自己去ARM官網(wǎng)看看，蠻有意思的。

    M系列處理器，其中M指的是Microcontroler目前主要有M0、M0+、M3、M4、M7以及新發(fā)布不久的基于ARMv8-M構(gòu)架的M23、M33，其中M23為M0&M0+的升級(jí)，M33為M3、M4的升級(jí)。性能天梯如下圖： 

              

M0+簡(jiǎn)述       

      2、流水線由3級(jí)改成2級(jí)；

      3、在M0+芯片中，GPIO是直接掛在M0+內(nèi)核上的，而M0內(nèi)核的芯片中，GPIO是掛在APB總線上的；這是什么意思呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，M0+芯片中GPIO翻轉(zhuǎn)速率可以達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)鐘的一半，而M0的GPIO要慢得多，因?yàn)镸0+內(nèi)核直接訪問(wèn)GPIO并予以控制，M0芯片則是M0內(nèi)核要先訪問(wèn)AHB總線，再訪問(wèn)APB總線，再訪問(wèn)GPIO才能進(jìn)行控制。

              

       上圖為M0+處理器在三種不同工藝下內(nèi)核面積、動(dòng)態(tài)功耗以及性能的對(duì)比。

M4簡(jiǎn)述

 

      現(xiàn)在主流的M4處理器基本都集中在90nm工藝的范疇上，內(nèi)核動(dòng)態(tài)功耗基本上是M0+的3倍多，晶元面積是M0+的4倍左右，同等主頻下性能大概提升接近40%?？紤]到具體應(yīng)用，M0+的量產(chǎn)芯片大都主頻較低，M4相對(duì)高不少，所以實(shí)際功耗以及性能差距會(huì)更大。隨著M4的出現(xiàn)M3現(xiàn)在在市場(chǎng)上面的新的應(yīng)用越來(lái)越少，這里就不單獨(dú)介紹M3了。

       現(xiàn)在新的M4微控制器呈現(xiàn)了以下幾個(gè)發(fā)展方向，代表未來(lái)幾年的微控制器發(fā)展方向：

       1、高能效比：早期的M3/M4功耗大都在300+uA/MHz左右，現(xiàn)在新的90nmLP工藝下新的M4微控制器的功耗已經(jīng)下降到100-200uA/MHz的水平，未來(lái)會(huì)更低，能效比會(huì)更高；

       2、向著更高的工藝挺進(jìn)：目前我了解到NXP已經(jīng)開(kāi)始著手設(shè)計(jì)40nm工藝的M4處理器，國(guó)內(nèi)的GD也開(kāi)始嘗試用55nm甚至更高的工藝設(shè)計(jì)M3/M4微控制器，一旦這些更先進(jìn)工藝處理器落地，M4微控制器的價(jià)格&功耗會(huì)被大幅度拉低，M4的能效比會(huì)比現(xiàn)在90nm工藝的M0+更高，這會(huì)是一個(gè)相當(dāng)重要的改變；

       3、安全：最近1-2年各個(gè)大的半導(dǎo)體廠商設(shè)計(jì)的新的微控制器很多都加入了安全單元，各種對(duì)稱/非對(duì)稱加密的協(xié)處理引擎被加入到新的M4控制器中，AES、SHA、3DES等，為了適應(yīng)新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，安全都是未來(lái)微控制器的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，這點(diǎn)在新的ARMv8-M中體現(xiàn)尤為明顯，安全特性功能是M33與M4最大的區(qū)別，以后我們找機(jī)會(huì)單獨(dú)說(shuō)M23與M33。

       4、SOC/SIP化：這點(diǎn)體現(xiàn)的最早，基本上從M3時(shí)代，M0/M3就被大量SOC化，市面上大量的無(wú)線SOC都是M0/M3/M4內(nèi)核，國(guó)內(nèi)近1-2年大量廠商開(kāi)始試水SIP，國(guó)內(nèi)目前大量SIP芯片內(nèi)部集成了M0/M3/M4裸片。

M7簡(jiǎn)述

       目前市面上量產(chǎn)的M7芯片并不多，只有ST、ATMEL、NXP有少數(shù)幾個(gè)型號(hào)；

       M7性能非常彪悍，幾乎比同主頻下的M4提升近50%（M7的六級(jí)超標(biāo)量流水線真不是蓋的~），NXP新量產(chǎn)的i.MXRT1050（據(jù)說(shuō)是40nm工藝）系列M7處理器甚至飆到了3000+的CoreMark，以前的傳統(tǒng)M3/M4的CoreMark超過(guò)300的都鳳毛麟角，M7一下子把Cortex-M系列微控制器的性能提升了至少10倍，但目前從市場(chǎng)占有率來(lái)說(shuō)，M7還比較新應(yīng)用還偏狹窄，未來(lái)可以暢想的空間還很大。

       這篇里面扯了比較多的廢話，以后的文章會(huì)重點(diǎn)從技術(shù)底層細(xì)節(jié)著手，扯更多的蛋