ARM Cortex-M底層技術(shù)（一）ARM Cortex-M系列微控制器概況寫在前面的話： 近些年來ARM Cortex-M陣營各廠商（ST、NXP、ATMEL、Freescale……）發(fā)布新產(chǎn)品的節(jié)奏越來越快，以及微控制器應(yīng)用普及程度的加深，越來越多的開發(fā)者把更多精力投注在應(yīng)用層開發(fā)上，花在對底層技術(shù)上的時間越來越少。小編我希望借助我之前對底層的一些積累，可以幫到大家快速的建立對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、更可靠的開發(fā)產(chǎn)品。
ARM Cortex-M系列微控制器概況： 老的ARM5、ARM7、ARM9、ARM11時代的處理器都是歷史，ARM公司從ARMv6-ARMv7時代開始ARM開始使用A、R、M系列來命名其新的處理器。 這里簡單啰嗦幾句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)時處理器，其中R為RealTime，R7、R8等主要用于硬盤、4G通信模塊、相機(jī)等領(lǐng)域，這個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，M33為M3、M4的升級。性能天梯如下圖： 
上圖為同等主頻下，各個內(nèi)核可以提供的運(yùn)算性能的大概的對比關(guān)系，評判一個處理器處理性能一直是一個難題，有很多的評判標(biāo)準(zhǔn)，上圖是ARM官網(wǎng)提供的，Cortex-M系列在ARM官網(wǎng)上一直是以Coremark分?jǐn)?shù)為主要評測標(biāo)準(zhǔn) ，大家可以參考，真實(shí)的性能對比還要看具體應(yīng)用。 M23是基于最新的ARMv8-M構(gòu)架的主要關(guān)注低功耗應(yīng)用的微控制器，未來會是M0、M0+的替代品。 M33是基于最新的ARMv8-M構(gòu)架的主要關(guān)注高能效應(yīng)用的微控制器，未來會替換M3、M4。 M7是老一點(diǎn)的ARMv7-M構(gòu)架專注高性能的微控制器，從上圖中也看得出，M7性能最強(qiáng)。 具體參考下圖： M0+簡述 下面簡單說一下M0+，M0作為過去時的微控制器這里略過，以90nm工藝為例M0+與M0的主要區(qū)別大家能用到的主要是以下幾點(diǎn)： 1、M0+功耗更低，比M0低約30%，這里說的只是內(nèi)核功耗，真正落到芯片上還要算上外設(shè)、時鐘系統(tǒng)等功耗，差距并沒有30%那么大?，F(xiàn)在大家看到的M0+功耗更低更多的是來自工藝的精進(jìn)上，M0早些年上市時主要是130nm/140nm/180nm工藝，而導(dǎo)了M0+時代更多的變成了90nm，內(nèi)核&工藝兩方面的改進(jìn)使得M0+相比M0功耗要低得多。現(xiàn)在ARM官網(wǎng)上也掛出了40nm工藝的M0+功耗數(shù)據(jù)，幾乎只有90nm工藝M0+的40%，但目前市面上還沒有看到40nm工藝的M0+產(chǎn)品，不過估計離上市不遠(yuǎn)了。早期M0的動態(tài)功耗多集中于110uA/MHz~160uA/Mhz之間，而現(xiàn)在的M0+處理器，功耗已經(jīng)可以做到65uA/MHz甚至更低了； 2、流水線由3級改成2級； 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？簡單來說，M0+芯片中GPIO翻轉(zhuǎn)速率可以達(dá)到系統(tǒng)內(nèi)核時鐘的一半，而M0的GPIO要慢得多，因?yàn)镸0+內(nèi)核直接訪問GPIO并予以控制，M0芯片則是M0內(nèi)核要先訪問AHB總線，再訪問APB總線，再訪問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、動態(tài)功耗以及性能的對比。
M4簡述
先上M4的性能表：
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%。考慮到具體應(yīng)用，M0+的量產(chǎn)芯片大都主頻較低，M4相對高不少，所以實(shí)際功耗以及性能差距會更大。隨著M4的出現(xiàn)M3現(xiàn)在在市場上面的新的應(yīng)用越來越少，這里就不單獨(dú)介紹M3了。 現(xiàn)在新的M4微控制器呈現(xiàn)了以下幾個發(fā)展方向，代表未來幾年的微控制器發(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，未來會更低，能效比會更高； 2、向著更高的工藝挺進(jìn)：目前我了解到NXP已經(jīng)開始著手設(shè)計40nm工藝的M4處理器，國內(nèi)的GD也開始嘗試用55nm甚至更高的工藝設(shè)計M3/M4微控制器，一旦這些更先進(jìn)工藝處理器落地，M4微控制器的價格&功耗會被大幅度拉低，M4的能效比會比現(xiàn)在90nm工藝的M0+更高，這會是一個相當(dāng)重要的改變；
3、安全：最近1-2年各個大的半導(dǎo)體廠商設(shè)計的新的微控制器很多都加入了安全單元，各種對稱/非對稱加密的協(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，安全都是未來微控制器的設(shè)計重點(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)會單獨(dú)說M23與M33。
4、SOC/SIP化：這點(diǎn)體現(xiàn)的最早，基本上從M3時代，M0/M3就被大量SOC化，市面上大量的無線SOC都是M0/M3/M4內(nèi)核，國內(nèi)近1-2年大量廠商開始試水SIP，國內(nèi)目前大量SIP芯片內(nèi)部集成了M0/M3/M4裸片。
M7簡述 目前市面上量產(chǎn)的M7芯片并不多，只有ST、ATMEL、NXP有少數(shù)幾個型號；  M7性能非常彪悍，幾乎比同主頻下的M4提升近50%（M7的六級超標(biāo)量流水線真不是蓋的~），NXP新量產(chǎn)的i.MXRT1050（據(jù)說是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，但目前從市場占有率來說，M7還比較新應(yīng)用還偏狹窄，未來可以暢想的空間還很大。 這篇里面扯了比較多的廢話，以后的文章會重點(diǎn)從技術(shù)底層細(xì)節(jié)著手，扯更多的蛋 。
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