ARMCortex-M3内核结构

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All Rights reserved, No Spreading abroad without Permission of ZTE 第1页 ARM Cortex-M3的优势

ARM Cortex-M3的优势

综上所述，ARM Cortex-M3相比于ARM其他系列微控制器，具有以下优势或特点：

1. 三级流水线+分支预测

ARM Cortex-M3与ARM7内核一样，采用适合于微控制器应用的三级流水线，但增加了分支预测功能。

现代处理器大多采用指令预取和流水线技术，以提高处理器的指令执行速度。流水线处理器在正常执行指令时，如果碰到分支（跳转）指令，由于指令执行的顺序可能会发生变化，指令预取队列和流水线中的部分指令就可能作废，而需要从新的地址重新取指、执行，这样就会使流水线“断流”，处理器性能因此而受到影响。特别是现代C语言程序，经编译器优化生成的目标代码中，分支指令所占的比例可达10-20%，对流水线处理器的影响会的更大。为此，现代高性能流水线处理器中一般都加入了分支预测部件，就是在处理器从存储器预取指令时，当遇到分支（跳转）指令时，能自动预测跳转是否会发生，再从预测的方向进行取指，从而提供给流水线连续的指令流，流水线就可以不断地执行有效指令，保证了其性能的发挥。

ARM Cortex-M3内核的预取部件具有分支预测功能，可以预取分支目标地址的指令，使分支延迟减少到一个时钟周期。

2. 哈佛结构

从内核访问指令和数据的不同空间与总线结构，可以把处理器分为哈佛结构和普林斯顿结构（或冯.诺伊曼结构）。冯.诺伊曼结构的机器指令、数据和I/O共用一条总线，这样内核在取指时就不能进行数据读写，反之亦然。这在传统的非流水线处理器（如MCS51）上是没有什么问题的，它们取指、执行分时进行，不会发生冲突。但在现代流水线处理器上，由于取指、译码和执行是同时进行的（不是同一条指令），一条总线就会发生总线冲突，必须插入延迟等待，从而影响了系统性能。ARM7TDMI内核就是这种结构的。

ARMCortex-M3学习笔记

最近在学ARM Cortex-M3，找了本号称很经典的书“An

Definitive Guide to The ARM Cortex-M3”在看。这个系列学习笔记其实就是在学习这本书的过程中做的读书笔记。

第一章 简介

这一章的内容主要是介绍Cortex-M3内核是如何的强悍。还顺带着介绍了ARM系列的发展历史和路线。

ARM公司成立于1990年，ARM公司是Advanced RISC

Machines Ltd.的缩写，当然ARM就是Advanced RISC Machines的缩写了，ARM 公司是由Apple，Acorn和VLSI三家共同出资创建的。

ARM 处理器内核的发展可以用一张图来说明：

图 1 ARM处理器内核的发展

从上图中可以看到，ARM 7 系列是基于 v4 内核的，ARM9系列是基于v5内核的，ARM11是基于v6内核的，而Cortex 系列则是基于v7内核的。

指令集的演化可以用下图来描述： 图 2指令集演进图

Cortex-M3 采用Thumb-2指令集，不支持ARM指令集，对Thumb-2指令集其实也只是部分的支持，有很少一部分Thumb-2指令是不支持的。由于不支持ARM指令集，也就没有了处理器状态在Thumb和ARM之间来回的切换，省去了很多麻烦。

第二章 Cortex-M3 概述

Cortex M3 内核的组成可以用一张简图来表示：

图 3 Cortex-M3内核简图

内核寄存器组包括R0-R15，R0-R12是通用寄存器，部分Thumb指令只能访问R0-R7。

R13是堆栈指针，实际上有两个，一个是主堆栈指针（MSP）另一个是进程堆栈指针（PSP），堆栈要求4字节对齐。

R14存放程序的返回地址。

R15是PC，记录程序当前的执行地址。

特殊功能寄存器包括：

程序状态字寄存器组（PSRs）

中断屏蔽寄存器组（PRIMASK, FAULTMASK, BASEPRI）

Cortex系列ARM内核介绍 众所周知，英国的ARM公司是嵌入式微处理器世界当中的佼佼者。ARM一直以来都是自己研发微处理器内核架构，然后将这些架构的知识产权授权给各个芯片厂商，精简的CPU架构，高效的处理能力以及成功的商业模式让ARM公司获得了巨大的成功，使他迅速占据了32位嵌入式微处理器的大部分市场份额，甚至现在，ARM芯片在上网本市场的也大有与INTEL的ATOM处理器一较高低的实力。 目前，随着对嵌入式系统的要求越来越高，作为其核心的嵌入式微处理器的综合性能也受到日益严峻的考验，最典型的例子就是伴随3G网络的推广，对手机的本地处理能力要求很高，现在一个高端的智能手机的处理能力几乎可以和几年前的笔记本电脑相当。为了迎合市场的需求，ARM公司也在加紧研发他们最新的ARM架构，Cortex系列就是这样的产品。在Cortex之前，ARM核都是以ARM为前缀命名的，从ARM1一直到ARM11，之后就是Cortex系列了。Cortex在英语中有大脑皮层的意思，而大脑皮层正是人脑最核心的部分，估计ARM公司如此命名正有此含义吧。 一．ARMv7架构特点 下表列出了ARM微处理器核心以及体系结构的发展历史： 表一: ARM微处理器核心以及体系结构的发展历史 我们可以看到，Cortex系列属于ARMv7架构，这是ARM公司最新的指令集架构，而我们比较熟悉的三星的S3C2410芯片是ARMv4架构，ATMEL公司的AT91SAM9261芯片则是ARMv5架构。 ARMv7架构是在ARMv6架构的基础上诞生的。该架构采用了Thumb-2技术，Thumb-2技术是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的，并且保持了对现存ARM解

决方案的完整的代码兼容性。Thumb-2技术比纯32位代码少使用 31％的内存，减小了系统开销。同时能够提供比已有的基于Thumb技术的解决方案高出38％的性能。ARMv7架构还采用了NEON技术，将DSP和媒体处理能力提高了近4倍，并支持改良的浮点运算，满足下一代3D图形、游戏物理应用以及传统嵌入式控制应用的需求。此外，ARMv7还支持改良的运行环境，以迎合不断增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptive Compilation)技术的使用。另外，ARMv7架构对于早期的ARM处理器软件也提供很好的兼容性。 ARMv7架构定义了三大分工明确的系列：“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用；“R”系列针对实时系统；“M”系列对微控制器和低成本应用提供优化。下图为v5至v7架构比较： 图一：v5至v7架构比较 由于应用领域不同，基于v7架构的Cortex处理器系列所采用的技术也不相同，基于v7A的称为Cortex-A系列，基于v7R的称为Cortex-R系列，基于v7M的称为Cortex-M系列。下面一一介绍。 二．Cortex-A8 Cortex-A8第一款基于ARMv7构架的应用处理器。Cortex-A8是ARM公司有史以来性能最强劲的一款处理器，主频为600MHz到1GHz。A8可以满足各种移动设备的需求，其功耗低于300毫瓦，而性能却高达2000MIPS。 Cortex-A8也是ARM公司第一款超级标量处理器。在该处理器的设计当中，采用了新的技术以提高代码效率和性能，采用了专门针对多媒体和信号处理的NEON技术。同时，还采用了Jazelle RCT技术，可以支持JAVA程序的预编译与实时编译。 针对Cortex-A8，ARM公司专门提供了新的函数库（Artisan Advantage-CE）。新的库函数可以有效的提高异常处理的速度并降低功耗。同时，新的库函数还提供了高级内存泄漏控制机制。

张凌001

关于ARM的内核架构

很多时候我们都会对M0，M0+,M3,M4，M7，arm7，arm9，CORTEX-A系列，或者说AVR,51，PIC等，一

头雾水，只知道是架构，不知道具体是什么，有哪些不同？今天查了些资料，来解解惑，不是很详细，

但对此有个大体了解。咱先来当下最火的ARM吧

1.ARM

ARM即以英国ARM（Advanced RISC Machines）公司的内核芯片作为CPU，同时附加其他外围功能的嵌

入式开发板，用以评估内核芯片的功能和研发各科技类企业的产品.

ARM 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于 ARM 体系结构的处理器，除了具有ARM 体系

结构的共同特点以外，每一个系列的 ARM 微处理器都有各自的特点和应用领域。

－ ARM7 系列

－ ARM9 系列

－ ARM9E 系列

－ ARM10E 系列

－ ARM11系列

－ Cortex 系列

－ SecurCore 系列

－ OptimoDE Data Engines

－ Intel的Xscale

－ Intel的StrongARM ARM11系列

2. Cortex 系列

32位RISCCPU开发领域中不断取得突破，其设计的微处理器结构已经从v3发展到现在的v7。Cortex

系列处理器是基于ARMv7架构的，

分为Cortex-M、Cortex-R和Cortex-A三类。由于应用领域的不同，基于v7架构的Cortex处理器系

列所采用的技术也不相同。基于v7A的称为“Cortex-A系列。

高性能的Cortex-A15、可伸缩的Cortex-A9、经过市场验证的Cortex-A8处理器以及高效的Cortex-A7

和Cortex-A5处理器均共享同一体系结构，因此具有完整的应用兼容性，支持传统的ARM、Thumb指令

集

和新增的高性能紧凑型Thumb-2指令集。

1Cortex-M系列

Cortex-M系列又可分为Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M3、Cortex-M4；