Cortex-M3-技術(shù)介紹課件

Cortex-M3內(nèi)核

——技術(shù)應(yīng)用介紹主要內(nèi)容：1)

ARM與其體系結(jié)構(gòu)概述2)Cortex-M3體系結(jié)構(gòu)3)

TIStellarisfamily介紹4)Cortex-M3應(yīng)用展示5)Cortex-M3市場分析6)基于Cortex-M3的芯片介紹1.1

Cortex-M3相關(guān)公司體系結(jié)構(gòu)ARM公司概述ARM微處理器及其發(fā)展ARM公司概述

ARM（AdvancedRISCMachines）既是一個公司的名字，也是對一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。

ARM公司1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器（即我們通常所說的ARM微處理器），已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場?；贏RM技術(shù)的微處理器，其應(yīng)用占據(jù)了32位RISC處理器75%以上的市場份額。ARM技術(shù)正在逐步滲透到我們生活的各個方面。ARM微處理器及其發(fā)展ARM微處理器的幾個系列：

ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的XScale系列、Cortex系列。ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展：（1）V1~V3版本；（2）V4T版本；（3）V5版本；（4）V6版本；（5）V7版本。ARM公司為新的ARMV7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；“R”系列針對實時系統(tǒng)；“M”系列針對微控制器和低成本應(yīng)用系統(tǒng)。1.2Cortex-M3內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)Cortex-M3簡介Cortex-M3內(nèi)核結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢LuminaryMicro公司Cortex-M3介紹

ARM公司于2005年推出了Cortex-M3內(nèi)核，就在當(dāng)年ARM公司與其他投資商合伙成立了Luminary（流明諾瑞）公司，由該公司率先設(shè)計、生產(chǎn)與銷售基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片——Stellaris（群星）系列ARM。

Cortex-M3內(nèi)核是ARM公司整個Cortex內(nèi)核系列中的微控制器系列（M）內(nèi)核，還是其它兩個系列分別是應(yīng)用處理器系列（A）與實時控制處理系列（R），這三個系列又分別簡稱為A、R、M系列，當(dāng)然這三個系列的內(nèi)核分別有各自不同的應(yīng)用場合。

Cortex-M3簡介

Cortex-M3內(nèi)核主要是應(yīng)用于低成本、小管腳數(shù)和低功耗的場合，并且具有極高的運(yùn)算能力和極強(qiáng)的中斷響應(yīng)能力。

Cortex-M3處理器采用純Thumb2指令的執(zhí)行方式，使得這個具有32位高性能的ARM內(nèi)核能夠?qū)崿F(xiàn)8位和16位的代碼存儲密度。ARMCortex-M3處理器是使用最少門數(shù)的ARMCPU，核心門數(shù)只有33K，在包含了必要的外設(shè)之后的門數(shù)也只有60K，使得封裝更為小型，成本更加低廉。

Cortex-M3采用了ARMV7哈佛架構(gòu)，具有帶分支預(yù)測的3級流水線，中斷延遲最大只有12個時鐘周期，在末尾連鎖的時候只需要6個時鐘周期。同時具有1.25DMIPS/MHZ的性能和0.19mW/MHZ的功耗。

Cortex-M3中央內(nèi)核基于哈佛架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)各使用一條總線（右圖中所示）。與Cortex-M3不同，ARM7系列處理器使用馮·諾依曼（VonNeumann）架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)共用信號總線以及存儲器。由于指令和數(shù)據(jù)可以從存儲器中同時讀取，所以Cortex-M3處理器對多個操作并行執(zhí)行，加快了應(yīng)用程序的執(zhí)行速度。

Cortex-M3內(nèi)核簡介一：哈佛架構(gòu)

內(nèi)核流水線分3個階段：取指、譯碼和執(zhí)行。當(dāng)遇到分支指令時，譯碼階段也包含預(yù)測的指令取指，這提高了執(zhí)行的速度。處理器在譯碼階段期間自行對分支目的地指令進(jìn)行取指。在稍后的執(zhí)行過程中，處理完分支指令后便知道下一條要執(zhí)行的指令。如果分支不跳轉(zhuǎn)，那么緊跟著的下一條指令隨時可供使用。如果分支跳轉(zhuǎn)，那么在跳轉(zhuǎn)的同時分支指令可供使用，空閑時間限制為一個周期。

Cortex-M3內(nèi)核簡介二：分支預(yù)測的流水線 Cortex-M3處理器是一個存儲器映射系統(tǒng)，為高達(dá)4GB的可尋址存儲空間提供簡單和固定的存儲器映射，同時，這些空間為代碼（代碼空間）、SRAM（存儲空間），外部存儲器/器件和內(nèi)部/外部外設(shè)提供預(yù)定義的專用地址。另外，還有一個特殊區(qū)域?qū)ｉT供廠家使用。 借助bit-banding技術(shù)，Cortex-M3處理器可以在簡單系統(tǒng)中直接對數(shù)據(jù)的單個位進(jìn)行訪問。存儲器映射包含兩個位于SRAM的大小均為1MB的bit-band區(qū)域和映射到32MB別名區(qū)域的外設(shè)空間。在別名區(qū)域中，某個地址上的加載/存儲操作將直接轉(zhuǎn)化為對被該地址別名的位的操作。對別名區(qū)域中的某個地址進(jìn)行寫操作，如果使其最低有效位置位，那么bit-band位為1，如果使其最低有效位清零，那么bit-band位為零。讀別名后的地址將直接返回適當(dāng)?shù)腷it-band位中的值。除此之外，該操作為原子位操作，其他總線活動不能對其中斷。Cortex-M3存儲器映射：bit-band技術(shù)

傳統(tǒng)的位處理方法和Cortex-M3bit-banding的比較：

基于傳統(tǒng)ARM7處理器的系統(tǒng)只支持訪問對齊的數(shù)據(jù)，只有沿著對齊的字邊界才可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和存儲。Cortex-M3處理器采用非對齊數(shù)據(jù)訪問方式，使非對齊數(shù)據(jù)可以在單核訪問中進(jìn)行傳輸。當(dāng)使用非對齊傳輸時，這些傳輸將轉(zhuǎn)換為多個對齊傳輸，但這一過程不為程序員所見。見下面的表中對比：

“傳統(tǒng)的位處理方法和Cortex-M3bit-banding的比較”

嵌套向量中斷控制器（NVIC）：末尾連鎖技術(shù)

NVIC是Cortex-M3處理器中一個完整的部分，支持16個內(nèi)部中斷和最多240個外部中斷，每個外部中斷最多可具有256個可重新動態(tài)劃分的不同優(yōu)先級別。它支持優(yōu)先級別中斷源和脈沖中斷源。當(dāng)進(jìn)入中斷時，處理器狀態(tài)會自動保存在內(nèi)存中，NVIC還支持末尾連鎖技術(shù)

Cortex-M3處理器使用一個可以重復(fù)定位的向量表，表中包含了將要執(zhí)行的函數(shù)的地址，可供具體的中斷處理器使用。中斷被接受之后，處理器通過指令總線接口從向量表中獲取地址。向量表復(fù)位時指向零，編程控制寄存器可以使向量表重新定位。

嵌套向量中斷控制器（NVIC）：

可以在硬件中處理堆棧操作，Cortex-M3處理器免去了在傳統(tǒng)的C語言中斷服務(wù)程序中為了完成堆棧處理所要編寫的匯編程序包，這使應(yīng)用程序的開發(fā)變得更加簡單。

Cortex-M3處理器使用末尾連鎖（tail-chaining）技術(shù)簡化了激活的和未決的中斷之間的移動。末尾連鎖技術(shù)把需要用時30個時鐘周期才能完成的連續(xù)的堆棧彈出和壓入操作替換為6個周期就能完成的指令取指，實現(xiàn)了延遲的降低。處理器狀態(tài)在進(jìn)入中斷時自動保存，在中斷退出時自動恢復(fù)，比軟件執(zhí)行用時更少，大大提高了頻率為100MHz的子系統(tǒng)的性能。

ARM公司在其Cortex-M3內(nèi)核中嵌入新的Thumb-2指令集。新的Thumb-2內(nèi)核技術(shù)保留了緊湊代碼質(zhì)量并與現(xiàn)有ARM方案的代碼兼容性，提供改進(jìn)的性能和能量效率。

Thumb-2是一種新型混合指令集，融合了16位和32位指令，用于實現(xiàn)密度和性能的最佳平衡。在不對性能進(jìn)行折中的情況下，節(jié)省許多高集成度系統(tǒng)級設(shè)計的總體存儲成本。

Cortex-M3支持的Thumb-2指令（參見PDF資料）目標(biāo)：看到一段匯編的代碼時，會去查處相關(guān)的指令集，讀懂代碼的意圖/作用即可。Cortex-M3支持的Thumb-2指令：?

免去Thumb和ARM代碼的互相切換，對于早期的處理器來說，這種狀態(tài)切換會降低性能。?Thumb-2指令集的設(shè)計是專門面向C語言的，且包括If/Then結(jié)構(gòu)（預(yù)測接下來的四條語句的條件執(zhí)行）、硬件除法以及本地位域操作。?Thumb-2指令集允許用戶在C代碼層面維護(hù)和修改應(yīng)用程序，C代碼部分非常易于重用。?Thumb-2指令集也包含了調(diào)用匯編代碼的功能：Luminary公司認(rèn)為沒有必要使用任何匯編語言。Thumb-2指令的優(yōu)勢

Cortex-M3處理器的集成調(diào)試功能可以實現(xiàn)快速驗證，而無需使用ICE元件。系統(tǒng)可以通過JTAG端口或者兩腳串行線（SerialWireDebug）端口進(jìn)行觀察。 此外，支持多種開發(fā)工具： 其中一種解決方案如下：

Cortex-M3另一大優(yōu)勢：選擇ARM處理器，ARM7還是

Cortex-M3

那么，你應(yīng)該如何做出何種選擇呢？

如果成本是最主要考慮因素，您應(yīng)該選擇Cortex-M3；如果在低成本的情況下尋求更好的性能和改進(jìn)功耗，您應(yīng)該考慮選用Cortex-M3；特別是如果你的應(yīng)用是汽車和無線領(lǐng)域，可以采用Cortex-M3，這也正是Coretex-M3的主要定位市場。由于Cortex-M3內(nèi)核中的多種集成元素以及采Thumb-2指令集，其開發(fā)和調(diào)試比ARM7TDMI要簡單快捷。

TI的Stellaris系列微控制器如今包含了160多種可以向全球供貨的MCU，包括售價低至1美元的MCU。這個價格一般只有8bitMCU才能達(dá)到。決策：

LuminaryMicro(流明諾瑞)公司設(shè)計、經(jīng)銷、出售基于ARMCortex-M3的微控制器(MCU)。作為ARM的Cortex-M3技術(shù)的主要合伙人，LuminaryMicro已經(jīng)向業(yè)界推出了首顆Cortex-M3處理器的芯片，用8/16位的成本獲得了32位的性能。

LuminaryMicro的Stellaris(群星)系列微控制器包含運(yùn)行在50MHz頻率下的ARMCortex-M3MCU內(nèi)核、嵌入Flash和SRAM、一個低壓降的穩(wěn)壓器、集成的掉電復(fù)位和上電復(fù)位功能、模擬比較器、10位ADC、SSI、GPIO、看門狗和通用定時器、UART、I2C、運(yùn)動控制PWM以及正交編碼器（檢測旋轉(zhuǎn)運(yùn)動系統(tǒng)的位置和速度）輸入。提供的外設(shè)直接通向管腳，沒有功能復(fù)用，這個豐富的功能集非常適合樓宇和家庭自動化、工廠自動化和控制、工控電源設(shè)備、步進(jìn)電機(jī)、有刷和無刷DC馬達(dá)、和AC感應(yīng)電動機(jī)等應(yīng)用。LuminaryMicro1.3TIStellarisfamily介紹09年TI收購LuminaryMicro，Luminary是首家做ARMCortexM3內(nèi)核處理公司。在TI收購之前l(fā)uminary出產(chǎn)的StellarisM3已經(jīng)在業(yè)界享有盛譽(yù)。StellarisM3特點：1、通用的架構(gòu)2、簡易的開發(fā)流程3、豐富的模擬外設(shè)和通信接口4、豐富的設(shè)計資源5、低廉的價格

TI的Stellaris系列微控制器如今包含了160多種可以向全球供貨的MCU，包括售價低至1美元的MCU。這個價格一般只有8bitMCU才能達(dá)到。但StellarisMCU內(nèi)部擁有一個ARMCortex－M3處理器。一個售價為$1.00而具有32bit的豐富指令集的MCU實在是太合算了——不用懂什么高深的數(shù)學(xué)就能明白。

TIStellaris系列優(yōu)勢

一個售價$1.00的32bitMCU的確是價廉物美！

單周期Flash存儲，速度高達(dá)50MHz!一些競爭對手的ARM7和Cortex-M3有更快的內(nèi)核速度，但他們的Flash并不是單周期存??；一些競爭對手Flash是單周期存取,但是其內(nèi)核的最大速度是有限的。

TIStellaris系列優(yōu)勢

LuminaryMicro的產(chǎn)品已經(jīng)得到了業(yè)界的認(rèn)可，豐富的外設(shè)資源和卓越的性價比，使LuminaryMicro的產(chǎn)品在品質(zhì)和功能上都受到了廣大客戶的贊同，為TI贏得了廣闊的市場。

TIStellaris系列優(yōu)勢

●客戶對TI

Stellaris的選擇：（1）國內(nèi)某著名專業(yè)的電視機(jī)廠根據(jù)Luminary產(chǎn)品的性價比的優(yōu)勢選擇了LM3S101用作音頻解碼。（2）某燈光音像器材廠發(fā)揮了Luminary單片機(jī)在馬達(dá)控制中的優(yōu)勢，采用LM3S310的12路PWM控制6路電機(jī)。（3）國內(nèi)某知名工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)備廠家，采用Luminary單片機(jī)進(jìn)行以太網(wǎng)轉(zhuǎn)CAN、232和485的設(shè)計，性能卓越，電路簡單可靠，單芯片解決方案。TIStellarisFamily系列目前TIStellaris主要包括四個系列160多種1.不含任何板級通信接口的Standstorm（LM3S811）2.含有can和internet接口（LM3S6952）3.含usb接口的DustDevil（LM3S3749）4.接口齊全的Tempest（LM3S9B92）TI杯電子競賽將選用LM3S811作為電子競賽芯片，為此達(dá)盛科技為TI生產(chǎn)了LM3S811和仿真器二和一的競賽專用板。。LM3S811開發(fā)板LM3S811開發(fā)板1.供電部分：本板卡可以使用usb供電，這樣可以仿真供電兩不誤。也可以外部供電?？梢郧袚Q電源輸入開關(guān)2.仿真部分：本板卡自帶usb仿真電路，無需外部接入。同時仿真器可對外仿真。3.引腳復(fù)用：根據(jù)引腳功能進(jìn)行引腳插針分類，分類模塊間存在復(fù)用例如：portB插座上的PB0和PWM插座上的PWM2物理短接，是同一信號。4.兩路UART:一路引到插針上，另一路既引到插針上也和FT2232的空閑UART模塊連接。5.JTAG防鎖死按鍵。

時序把握 （使用時如同單片機(jī)對外圍接口電 路編程一樣）

GPIO引腳控制Cortex-M3應(yīng)用培訓(xùn)

實踐（開發(fā)板+PDF文檔+實驗程序）方法 關(guān)注中心問題：學(xué)好I/O

（數(shù)據(jù)必須通過這些引腳傳送出去，讀回來）

編程中使用API（應(yīng)用程序編程接口）函數(shù)

LM3S系列單片機(jī)采用的是結(jié)構(gòu)簡單、性能出眾的ARMCortex-M3處理器內(nèi)核。由于Luminary官方免費(fèi)公開地提供了基于C語言(符合ANSIC標(biāo)準(zhǔn))的驅(qū)動庫軟件包，并且源代碼是公開的，因此用戶完全可以摒棄晦澀難懂的匯編語言，也不需要掌握底層寄存器的操作細(xì)節(jié)，就能輕松玩轉(zhuǎn)LM3S系列的單片機(jī)。

下面兩個例程完成同樣的功能：

點亮接在PA3管腳的LED指示燈，一個采用寄存器方式，另一個則利用驅(qū)動庫。我們可以看出，利用驅(qū)動庫開發(fā)應(yīng)用程序不僅編寫起來簡單快速，而且代碼簡潔、可讀性性強(qiáng)。對編寫大型程序而言，采用驅(qū)動庫更能夠增強(qiáng)可靠性和安全性，同時顯著降低維護(hù)成本。只要懂C語言就會開發(fā)ARM：微型打印機(jī)電子制作套件

使用TI公司EXP-LM3S3749CPU板卡及E-LAB-PRINTER模塊制作而成。用USB數(shù)據(jù)線將CPU板卡連至PC機(jī)端。通過PC機(jī)上的上位機(jī)軟件，鍵入相應(yīng)的命令，回車后，下位機(jī)接收到命令并控制微型打印機(jī)工作。射頻卡考勤電子制作套件

使用TI公司EXP-LM3S6952CPU板卡及E-LAB-Mifare模塊制作而成。用串口線將CPU板卡串口連至PC機(jī)端串口。打開PC機(jī)上的超級終端，正確設(shè)置串口參數(shù)，將MifareIC卡靠近射頻讀卡區(qū)，在超級終端上會顯示每張用戶卡所對應(yīng)的特定的SN。指紋考勤電子制作套件

使用TI公司EXP-LM3S6952CPU板卡及E-LAB-FPI模塊制作而成。用網(wǎng)線將CPU板卡網(wǎng)口連至PC機(jī)端網(wǎng)口。打開PC機(jī)上的IE瀏覽器，鍵入正確的IP地址，即可訪問Web服務(wù)器，并在此WebServer上顯示當(dāng)前錄入指紋的用戶總數(shù)，同時可繼續(xù)錄入用戶。引入一個概念： 物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofThings）

物聯(lián)網(wǎng)（TheInternetofthings）的定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。Cortex-M3之小結(jié)：Cortex-M3是未來MCU的主要架構(gòu)MCU市場與機(jī)會據(jù)IHSiSuppli公司的研究，由于工業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)應(yīng)用的強(qiáng)勁增長，中國微控制器(MCU)市場營業(yè)收入預(yù)計到2015年將達(dá)到47億美元，比2010年的28億美元增長三分之二。

中國消費(fèi)了全球30%以上的集成電路，生產(chǎn)的集成電路占全球的3%，而自主創(chuàng)新的集成電路則只占全球的0.3%。其中:

手機(jī)芯片:聯(lián)發(fā)科和展訊主導(dǎo);

多媒體芯片:瑞芯微、中星微、炬力、君正、楊智、凌陽、全勝、華芯飛群雄爭霸;MCU:僅有凌陽與華邦在8位MCU市場占有一席之地。中國MCU廠商變革的良機(jī)：手機(jī)、多媒體處理器等巨大市場后，MCU成為新的金礦，汽車電子、醫(yī)療電子、智能測量、LED照明、物聯(lián)網(wǎng)等新興市場為MCU帶來巨大成長空間；

MCU市場較為分散，不易形成壟斷，為新興IC公司的崛起提供機(jī)會；全球MCU界正在發(fā)生一個從8/16位到32位MCU的技術(shù)遷移；

MCU架構(gòu)正在發(fā)生從專有多樣的架構(gòu)向通用統(tǒng)一的ARMCortex-M架構(gòu)遷移。TI：Stellaris?9000系列德州儀器(TI)的LM3S9000系列具有片上組合的10/100以太網(wǎng)MAC/PHY、USBOTG/主機(jī)/器件以及控制器局域網(wǎng)(CAN)。除了幾個產(chǎn)品增強(qiáng)性能以外，LM3S9000系列還增加了新功能，例如擁有支持SDRAM、SRAM/閃存、主機(jī)總線和M2M的模式的多用途外圍設(shè)備接口(EPI)、IntegratedInterchipSound(I2S)接口、同步雙路ADC功能、適用于安全關(guān)鍵型應(yīng)用的具有獨(dú)立時鐘的秒表看門狗定時器（除了StellarisWare?

庫以外，還支持IEC60730庫）和16MHz軟件微調(diào)1%精密振蕩器。此外，LM3S9000系列的每個MCU都提供了多個已預(yù)先編入節(jié)省內(nèi)存的ROM的StellarisWare?

軟件特性。Stellaris系列評估套件、開發(fā)套件、參考設(shè)計套件和模塊為工程師提供了對嵌入式應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)和原型設(shè)計所需的開包即用型硬件和軟件工具。每個套件都包含常用開發(fā)工具的評估工具套件、文檔、完整的StellarisWare固件開發(fā)包以及使用Stellaris微處理器開始快速開發(fā)所需的所有電纜。StellarisWare軟件通過使用Stellaris微處理器，您可以選擇保留所有C/C++編程，甚至是中斷服務(wù)例程和啟動代碼。通過提供StellarisWare軟件（包含源碼和免版稅的應(yīng)用支持庫），我們讓您的開發(fā)變得更加輕松?？梢栽谶m用于ARM的ARM/Keil