ARM處理器家族如何區(qū)分？

多年來， ARM已經(jīng)研發(fā)了相當多的不同的處理器產(chǎn)品，不同的ARM 處理器有不同的指令集，系統(tǒng)功能和性能。對很多初學者，甚至某些芯片設(shè)計經(jīng)驗豐富但是不熟悉ARM系列處理器的設(shè)計者來說，也是很容易混淆這些產(chǎn)品。?如下圖中：ARM 處理器產(chǎn)品分為經(jīng)典ARM處理器系列和最新的Cortex處理器系列。并且根據(jù)應(yīng)用范圍的不同，ARM處理器可以分類成3個系列。

ARM處理器家族

??Application Processors（應(yīng)用處理器）

面向移動計算，智能手機，服務(wù)器等市場的的高端處理器。這類處理器運行在很高的時鐘頻率（超過1GHz），支持像Linux，Android，MS Windows和移動操作系統(tǒng)等完整操作系統(tǒng)需要的內(nèi)存管理單元（MMU）。 如果規(guī)劃開發(fā)的產(chǎn)品需要運行上述其中的一個操作系統(tǒng)，你需要選擇ARM 應(yīng)用處理器。

??Real-time Processors （實時處理器）

面向?qū)崟r應(yīng)用的高性能處理器系列，例如硬盤控制器，汽車傳動系統(tǒng)和無線通訊的基帶控制。多數(shù)實時處理器不支持MMU，不過通常具有MPU，Cache和其他針對工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的存儲器功能。實時處理器運行在比較高的時鐘頻率（例如200MHz 到 >1GHz ），響應(yīng)延遲非常低。雖然實時處理器不能運行完整版本的Linux和Windows， 但是支持大量的實時操作系統(tǒng)（RTOS）。

??Microcontroller Processors（微控制器處理器）

微控制器處理器通常設(shè)計成面積很小和能效比很高。通常這些處理器的流水線很短，最高時鐘頻率很低（雖然市場上有此類的處理器可以運行在200Mhz之上）。 并且，新的Cortex-M處理器家族設(shè)計的非常容易使用。因此，ARM 微控制器處理器在單片機和深度嵌入式系統(tǒng)市場非常成功和受歡迎。

ARM處理器特性總結(jié)

Cortex-M 處理器家族一覽

Cortex-M處理器家族更多的集中在低性能端，但是這些處理器相比于許多微控制器使用的傳統(tǒng)處理器性能仍然很強大。例如，Cortex-M4和Cortex-M7處理器應(yīng)用在許多高性能的微控制器產(chǎn)品中，最大的時鐘頻率可以達到400Mhz。

當然，性能不是選擇處理器的唯一指標。在許多應(yīng)用中，低功耗和成本是關(guān)鍵的選擇指標。因此，Cortex-M處理器家族包含各種產(chǎn)品來滿足不同的需求：

面向低成本，超低功耗的微控制器和深度嵌入應(yīng)用的非常小的處理器（最小12K門電路）。

針對小型嵌入式系統(tǒng)的最高能效的處理器，與Cortex-M0處理器接近的尺寸大小和編程模式，但是具有擴展功能，如單周期I/O接口和向量表重定位功能。

針對FPGA設(shè)計優(yōu)化的小處理器，利用FPGA上的存儲器塊實現(xiàn)了緊耦合內(nèi)存（TCM），和Cortex-M0有相同的指令集。

針對低功耗微控制器設(shè)計的處理器，面積小但是性能強勁，支持可以處理器快速處理復(fù)雜任務(wù)的豐富指令集，具有硬件除法器和乘加指令（MAC）。并且，M3支持全面的調(diào)試和跟蹤功能，使軟件開發(fā)者可以快速的開發(fā)他們的應(yīng)用。

不但具備Cortex-M3的所有功能，并且擴展了面向數(shù)字信號處理（DSP）的指令集，像單指令多數(shù)據(jù)指令（SMID）和更快的單周期MAC操作。此外，它還有一個可選的支持IEEE754浮點標準的單精度浮點運算單元。

針對高端微控制器和數(shù)據(jù)處理密集的應(yīng)用開發(fā)的高性能處理器。具備Cortex-M4支持的所有指令功能，擴展支持雙精度浮點運算，并且具備擴展的存儲器功能，例如Cache和緊耦合存儲器（TCM）。

面向超低功耗，低成本應(yīng)用設(shè)計的小尺寸處理器，和Cortex-M0相似，但是支持各種增強的指令集和系統(tǒng)層面的功能特性。M23還支持Trustzone安全擴展。

主流的處理器設(shè)計，與之前的Cortex-M3和Cortex-M4處理器類似，但系統(tǒng)設(shè)計更靈活，能耗比更高效，性能更高。M33還支持Trustzone安全擴展。

不同于老的經(jīng)典ARM處理器（例如，ARM7TDMI, ARM9），Cortex-M處理器有一個非常不同的架構(gòu)。例如：

??僅支持ARM Thumb指令，已擴展到同時支持16位和32位指令Thumb-2版本。

??內(nèi)置的嵌套向量中斷控制負責中斷處理，自動處理中斷優(yōu)先級，中斷屏蔽，中斷嵌套和系統(tǒng)異常處理。

??中斷處理函數(shù)可以使用標準的C語言編程，嵌套中斷處理機制避免了使用軟件判斷哪一個中斷需要響應(yīng)處理。同時，中斷響應(yīng)速度是確定性的，延遲低。

??向量表從跳轉(zhuǎn)指令變?yōu)橹袛嗪拖到y(tǒng)異常處理函數(shù)的起始地址。

??寄存器組和某些編程模式也做了改變。

這些變化意味著許多為經(jīng)典ARM處理器編寫的匯編代碼需要修改，老的項目需要修改和重新編譯才能遷移到Cortex-M的產(chǎn)品上。軟件移植具體的細節(jié)點擊“閱讀原文”查看ARM文檔：ARM Cortex-M3 Processor Software Development for ARM7TDMI Processor Programmers

Cortex-M系列處理器的共同特性

Cortex-M0, M0+, M3, M4 and M7之間有很多的相似之處，例如：

?基本編程模型?

?嵌套向量中斷控制器（NVIC）的中斷響應(yīng)管理

?架構(gòu)設(shè)計的休眠模式：睡眠模式和深度睡眠模式

?操作系統(tǒng)支持特性

?調(diào)試功能

?易用性

Cortex-M處理器的嵌套向量中斷控制器

例如，嵌套向量中斷控制器是內(nèi)置的中斷控制器，支持許多外圍設(shè)備的中斷輸入，一個不可屏蔽的中斷請求，一個來自被稱作內(nèi)置時鐘（SysTick）的中斷請求和一定數(shù)量的系統(tǒng)異常請求。NVIC處理這些中斷和異常的優(yōu)先級和屏蔽管理。

ARM處理器家族如何區(qū)分？

多年來， ARM已經(jīng)研發(fā)了相當多的不同的處理器產(chǎn)品，不同的ARM 處理器有不同的指令集，系統(tǒng)功能和性能。對很多初學者，甚至某些芯片設(shè)計經(jīng)驗豐富但是不熟悉ARM系列處理器的設(shè)計者來說，也是很容易混淆這些產(chǎn)品。?如下圖中：ARM 處理器產(chǎn)品分為經(jīng)典ARM處理器系列和最新的Cortex處理器系列。并且根據(jù)應(yīng)用范圍的不同，ARM處理器可以分類成3個系列。

ARM處理器家族

??Application Processors（應(yīng)用處理器）

面向移動計算，智能手機，服務(wù)器等市場的的高端處理器。這類處理器運行在很高的時鐘頻率（超過1GHz），支持像Linux，Android，MS Windows和移動操作系統(tǒng)等完整操作系統(tǒng)需要的內(nèi)存管理單元（MMU）。 如果規(guī)劃開發(fā)的產(chǎn)品需要運行上述其中的一個操作系統(tǒng)，你需要選擇ARM 應(yīng)用處理器。

??Real-time Processors （實時處理器）

面向?qū)崟r應(yīng)用的高性能處理器系列，例如硬盤控制器，汽車傳動系統(tǒng)和無線通訊的基帶控制。多數(shù)實時處理器不支持MMU，不過通常具有MPU，Cache和其他針對工業(yè)應(yīng)用設(shè)計的存儲器功能。實時處理器運行在比較高的時鐘頻率（例如200MHz 到 >1GHz ），響應(yīng)延遲非常低。雖然實時處理器不能運行完整版本的Linux和Windows， 但是支持大量的實時操作系統(tǒng)（RTOS）。

??Microcontroller Processors（微控制器處理器）

微控制器處理器通常設(shè)計成面積很小和能效比很高。通常這些處理器的流水線很短，最高時鐘頻率很低（雖然市場上有此類的處理器可以運行在200Mhz之上）。 并且，新的Cortex-M處理器家族設(shè)計的非常容易使用。因此，ARM 微控制器處理器在單片機和深度嵌入式系統(tǒng)市場非常成功和受歡迎。

ARM處理器特性總結(jié)

Cortex-M 處理器家族一覽

Cortex-M處理器家族更多的集中在低性能端，但是這些處理器相比于許多微控制器使用的傳統(tǒng)處理器性能仍然很強大。例如，Cortex-M4和Cortex-M7處理器應(yīng)用在許多高性能的微控制器產(chǎn)品中，最大的時鐘頻率可以達到400Mhz。

當然，性能不是選擇處理器的唯一指標。在許多應(yīng)用中，低功耗和成本是關(guān)鍵的選擇指標。因此，Cortex-M處理器家族包含各種產(chǎn)品來滿足不同的需求：

面向低成本，超低功耗的微控制器和深度嵌入應(yīng)用的非常小的處理器（最小12K門電路）。

針對小型嵌入式系統(tǒng)的最高能效的處理器，與Cortex-M0處理器接近的尺寸大小和編程模式，但是具有擴展功能，如單周期I/O接口和向量表重定位功能。

針對FPGA設(shè)計優(yōu)化的小處理器，利用FPGA上的存儲器塊實現(xiàn)了緊耦合內(nèi)存（TCM），和Cortex-M0有相同的指令集。

針對低功耗微控制器設(shè)計的處理器，面積小但是性能強勁，支持可以處理器快速處理復(fù)雜任務(wù)的豐富指令集，具有硬件除法器和乘加指令（MAC）。并且，M3支持全面的調(diào)試和跟蹤功能，使軟件開發(fā)者可以快速的開發(fā)他們的應(yīng)用。

不但具備Cortex-M3的所有功能，并且擴展了面向數(shù)字信號處理（DSP）的指令集，像單指令多數(shù)據(jù)指令（SMID）和更快的單周期MAC操作。此外，它還有一個可選的支持IEEE754浮點標準的單精度浮點運算單元。

針對高端微控制器和數(shù)據(jù)處理密集的應(yīng)用開發(fā)的高性能處理器。具備Cortex-M4支持的所有指令功能，擴展支持雙精度浮點運算，并且具備擴展的存儲器功能，例如Cache和緊耦合存儲器（TCM）。

面向超低功耗，低成本應(yīng)用設(shè)計的小尺寸處理器，和Cortex-M0相似，但是支持各種增強的指令集和系統(tǒng)層面的功能特性。M23還支持Trustzone安全擴展。

主流的處理器設(shè)計，與之前的Cortex-M3和Cortex-M4處理器類似，但系統(tǒng)設(shè)計更靈活，能耗比更高效，性能更高。M33還支持Trustzone安全擴展。

不同于老的經(jīng)典ARM處理器（例如，ARM7TDMI, ARM9），Cortex-M處理器有一個非常不同的架構(gòu)。例如：

??僅支持ARM Thumb指令，已擴展到同時支持16位和32位指令Thumb-2版本。

??內(nèi)置的嵌套向量中斷控制負責中斷處理，自動處理中斷優(yōu)先級，中斷屏蔽，中斷嵌套和系統(tǒng)異常處理。

??中斷處理函數(shù)可以使用標準的C語言編程，嵌套中斷處理機制避免了使用軟件判斷哪一個中斷需要響應(yīng)處理。同時，中斷響應(yīng)速度是確定性的，延遲低。

??向量表從跳轉(zhuǎn)指令變?yōu)橹袛嗪拖到y(tǒng)異常處理函數(shù)的起始地址。

??寄存器組和某些編程模式也做了改變。

這些變化意味著許多為經(jīng)典ARM處理器編寫的匯編代碼需要修改，老的項目需要修改和重新編譯才能遷移到Cortex-M的產(chǎn)品上。軟件移植具體的細節(jié)點擊“閱讀原文”查看ARM文檔：ARM Cortex-M3 Processor Software Development for ARM7TDMI Processor Programmers

Cortex-M系列處理器的共同特性

Cortex-M0, M0+, M3, M4 and M7之間有很多的相似之處，例如：

?基本編程模型?

?嵌套向量中斷控制器（NVIC）的中斷響應(yīng)管理

?架構(gòu)設(shè)計的休眠模式：睡眠模式和深度睡眠模式

?操作系統(tǒng)支持特性

?調(diào)試功能

?易用性

Cortex-M處理器的嵌套向量中斷控制器

例如，嵌套向量中斷控制器是內(nèi)置的中斷控制器，支持許多外圍設(shè)備的中斷輸入，一個不可屏蔽的中斷請求，一個來自被稱作內(nèi)置時鐘（SysTick）的中斷請求和一定數(shù)量的系統(tǒng)異常請求。NVIC處理這些中斷和異常的優(yōu)先級和屏蔽管理。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的如何看Cortex-M系列处理器差异与共性？技术老司机Joseph带你飞的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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