對(duì)比Cortex-M各處理器功能模塊

ARM Cortex-M 處理器家族發(fā)展至今(2016)，已有 5 代產(chǎn)品，分別是 CM0/CM0+、CM1、CM3、CM4、CM7。

1.Cortex-M 兼容特性

為了能做到 Cortex-M 軟件重用，ARM 公司在設(shè)計(jì) Cortex-M 處理器時(shí)為其賦予了處理器向下兼容、軟件二進(jìn)制向上兼容特性。

首先看什么是二進(jìn)制兼容，這個(gè)特性主要是針對(duì)軟件而言，這里指的是當(dāng)某軟件(程序)依賴的頭文件或庫(kù)文件分別升級(jí)時(shí)，軟件功能不受影響。要做到二進(jìn)制兼容，被軟件所依賴的頭文件或庫(kù)文件升級(jí)時(shí)必須是二進(jìn)制兼容的。

那么什么又是向上兼容，向上兼容又叫向前兼容，指的是在較低版本處理器上編譯的軟件可以在較高版本處理器上執(zhí)行。

跟向上兼容相對(duì)的另一個(gè)概念叫向下兼容，向下兼容又叫向后兼容，指的是較高版本處理器可以正確運(yùn)行在較低版本處理器上編譯的軟件。

所以其實(shí)既可以用向上兼容，也可以用向下兼容來(lái)形容 Cortex-M 特性，只不過描述的主語(yǔ)不一樣，我們可以說(shuō) Cortex-M 程序是向上兼容的，也可以說(shuō) Cortex-M 處理器是向下兼容的。

具體到 Cortex-M 處理器時(shí)，這個(gè)兼容特性表現(xiàn)為：

從處理器角度看：CM0 指令集和功能模塊是最精簡(jiǎn)的，CM7 指令集和功能模塊是最豐富的。不存在低版本處理器上存在的特性是高版本處理器所沒有的。

從軟件角度來(lái)看：CMSIS 提供的頭文件和功能函數(shù)是二進(jìn)制向上兼容的，比如某 CM0 軟件 App 使用的是 core_cm0.h 頭文件，而這個(gè) App 要在 CM7 上運(yùn)行時(shí)，不需要使用 core_cm7.h 再重新編譯一次（當(dāng)然使用新頭文件編譯后的 App 也是正常的。）

2.Cortex-M 功能模塊差異

由于 CM1 主要是用在 FPGA 產(chǎn)品中，故下面對(duì)比忽略 CM1。我們知道 CM 處理器是向下兼容的，故 CM 功能模塊是隨著版本的升級(jí)而逐步增加的，我們逐步從最低版本開始對(duì)比。

2.1 CM0 vs CM0+

先來(lái)聊聊 CM0 與 CM0+，從最基準(zhǔn)的 CM0 模塊看起：

ARMv6-M CPU 內(nèi)核：ARM 公司于 2007 年推出的內(nèi)核。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)，3 級(jí)流水線，支持大部分 Thumb 和小部分 Thumb-2 指令集，所有指令一共 57 條。此外還內(nèi)嵌 32-bit 返回結(jié)果的硬件乘法器。

NVIC 嵌套向量中斷控制器：用于 CPU 在正常 Run 模式下中斷管理。最大支持 32 個(gè)外部中斷，外部中斷可設(shè) 4 級(jí)搶占優(yōu)先級(jí)（2bit）。

WIC 喚醒中斷控制器：用于 CPU 在低功耗 Sleep 模式下中斷管理。

AHB-Lite 總線：一條 32bit AMBA-3 標(biāo)準(zhǔn)的高性能 system 總線負(fù)責(zé)所有 Flash、SRAM 指令和數(shù)據(jù)存取。

調(diào)試模塊：0-4 個(gè)硬件斷點(diǎn) Breakpoint，0-2 個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn) Watchpoint。

DAP 調(diào)試接口：通過 DAP 模塊支持 JTAG 和 SWD 接口。

那么 CM0+到底改進(jìn)了什么？

ARMv6-M CPU 內(nèi)核：流水線改為 2 級(jí)（很多 8bit MCU 都是 2 級(jí)流水線，主要用于降低功耗）

NVIC 嵌套向量中斷控制器：增加了 VTOR 即中斷重定向功能。
　　

那么 CM0+到底增加了什么？

MPU 存儲(chǔ)器保護(hù)單元：提供硬件方式管理和保護(hù)內(nèi)存，控制訪問權(quán)限，最大可將內(nèi)存分為 8*8 個(gè) region。內(nèi)存越權(quán)訪問，將返回 MemManage Fault。

MTB 片上跟蹤單元：用戶體驗(yàn)更好的的跟蹤調(diào)試，優(yōu)化的異常捕獲機(jī)制，可以更快地定位 bug。

Fast I/O：可單周期訪問的快速 I/O 口，更易于 Bit-banging（比如 GPIO 模擬 SPI、IIC 協(xié)議）。

2.2 CM0+ vs CM3

前面比較完了 CM0 與 CM0+，再來(lái)看看 CM3 比 CM0+增強(qiáng)在了哪里：

那么 CM3 到底改進(jìn)了什么？

ARMv7-M CPU 內(nèi)核：ARM 公司于 2004 年推出的內(nèi)核。哈佛體系結(jié)構(gòu)，3 級(jí)流水線+分支預(yù)測(cè)，支持全部的 Thumb 和 Thumb-2 指令集。內(nèi)嵌 32-bit 硬件乘法器可返回 64-bit 運(yùn)算結(jié)果，且新增 32-bit 硬件除法器。

NVIC 嵌套向量中斷控制器：最大支持 240 個(gè)外部中斷，中斷優(yōu)先級(jí)可分組（搶占優(yōu)先級(jí)、響應(yīng)優(yōu)先級(jí)），8bit 優(yōu)先級(jí)設(shè)置（最大 128 級(jí)搶占優(yōu)先級(jí)(對(duì)應(yīng)最小 2 級(jí)響應(yīng)優(yōu)先級(jí))，最大 256 級(jí)響應(yīng)優(yōu)先級(jí)(對(duì)應(yīng)無(wú)搶占優(yōu)先級(jí))）。

3x AHB-Lite 總線：除了原 system 總線負(fù)責(zé) SRAM 存取外，還新增兩條 ICode、DCode 總線分別完成 Flash 上指令和數(shù)據(jù)存取。

調(diào)試模塊：0-8 個(gè)硬件斷點(diǎn) Breakpoint，0-4 個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn) Watchpoint。

ITM/ETM 跟蹤單元：ITM 更好地支持 printf 風(fēng)格 debug，ETM 提供實(shí)時(shí)指令和數(shù)據(jù)跟蹤。
　　

那么 CM3 到底增加了什么？　

額，CM3 相比 CM0+并沒有增加什么獨(dú)有模塊，反倒是少了 Fast I/O Port。

2.3 CM3 vs CM4

前面比較完了 CM0+與 CM3，再來(lái)看看 CM4 比 CM3 增強(qiáng)在了哪里：

那么 CM4 到底改進(jìn)了什么？

ARMv7E-M CPU 內(nèi)核：增加了 DSP 相關(guān)指令支持。
　　

那么 CM4 到底增加了什么？

DSP 數(shù)字信號(hào)處理單元：新增支持單周期 16/32-bit MAC、dual 16-bit MAC, 8/16-bit SIMD 算法的數(shù)字信號(hào)處理單元。

FPU 浮點(diǎn)運(yùn)算單元：新增單精度（float 型）兼容 IEEE-754 標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)運(yùn)算單元（VFPv4-SP）。

2.4 CM4 vs CM7

前面比較完了 CM3 與 CM4，再來(lái)看看 CM7 比 CM4 增強(qiáng)在了哪里：

那么 CM7 到底改進(jìn)了什么？

ARMv7E-M CPU 內(nèi)核：6 級(jí)流水線+分支預(yù)測(cè)。

2x AHB-Lite 總線：精簡(jiǎn)為 2 條 AHB 總線，其中 AHB-P 外設(shè)接口完成原來(lái) system 總線功能, AHB-S 從屬接口負(fù)責(zé)外部總線控制器（如 DMA）功能以及與 TCM 接口功能。

MPU 存儲(chǔ)器保護(hù)單元：最大可將內(nèi)存分為 16*8 個(gè) region。

FPU 浮點(diǎn)運(yùn)算單元：新增雙精度（double 型）兼容 IEEE-754 標(biāo)準(zhǔn)的浮點(diǎn)運(yùn)算單元（VFPv5）。
　　

那么 CM7 到底增加了什么？

I/D-Cache 緩存區(qū)：即是我們通常理解的 L1 Cache，每個(gè) Cache 大小為 4-64KB。

I/D-TCM 緊密耦合存儲(chǔ)器：緊密的與處理器內(nèi)核相耦合的 RAM，提供與 Cache 相當(dāng)?shù)男阅?，但?Cache 更具確定性，memory 最大均為 16MB。

ECC 特性：對(duì) L1 Cache 提供錯(cuò)誤校正和恢復(fù)功能，提高系統(tǒng)的可靠性。

AXI-M 總線：基于 AMBA 4 的 64bit AXI 總線，用于支持掛在系統(tǒng)上的 L2 memory。
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