Cortex-M3 技术应用讲座

Cortex-M3内核——TIStellarisFamily技术应用讲座讲座主要内容：1)ARM与其体系结构概述2)Cortex-M3体系结构3)TIStellarisfamily介绍4)我们公司的Cortex-M3评估套件展示5)关于培训事项1.1Cortex-M3相关公司体系结构ARM公司概述ARM微处理器及其发展•ARM公司概述ARM（AdvancedRISCMachines）既是一个公司的名字，也是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM公司1991年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器（即我们通常所说的ARM微处理器），已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、无线系统等各类产品市场。基于ARM技术的微处理器，其应用占据了32位RISC处理器75%以上的市场份额。ARM技术正在逐步渗透到我们生活的各个方面。•ARM微处理器及其发展ARM微处理器的几个系列：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的XScale系列、Cortex系列。ARM体系结构的发展：（1）V1~V3版本；（2）V4T版本；（3）V5版本；（4）V6版本；（5）V7版本。ARM公司为新的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”系列针对微控制器和低成本应用系统。1.2Cortex-M3内核体系结构•Cortex-M3简介•Cortex-M3内核结构与优势•LuminaryMicro公司Cortex-M3介绍ARM公司于2005年推出了Cortex-M3内核，就在当年ARM公司与其他投资商合伙成立了Luminary（流明诺瑞）公司，由该公司率先设计、生产与销售基于Cortex-M3内核的ARM芯片——Stellaris（群星）系列ARM。Cortex-M3内核是ARM公司整个Cortex内核系列中的微控制器系列（M）内核，还是其它两个系列分别是应用处理器系列（A）与实时控制处理系列（R），这三个系列又分别简称为A、R、M系列，当然这三个系列的内核分别有各自不同的应用场合。•Cortex-M3简介Cortex-M3内核主要是应用于低成本、小管脚数和低功耗的场合，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力。Cortex-M3处理器采用纯Thumb2指令的执行方式，使得这个具有32位高性能的ARM内核能够实现8位和16位的代码存储密度。ARMCortex-M3处理器是使用最少门数的ARMCPU，核心门数只有33K，在包含了必要的外设之后的门数也只有60K，使得封装更为小型，成本更加低廉。Cortex-M3采用了ARMV7哈佛架构，具有带分支预测的3级流水线，中断延迟最大只有12个时钟周期，在末尾连锁的时候只需要6个时钟周期。同时具有1.25DMIPS/MHZ的性能和0.19mW/MHZ的功耗。Cortex-M3中央内核基于哈佛架构，指令和数据各使用一条总线（右图中所示）。与Cortex-M3不同，ARM7系列处理器使用冯·诺依曼（VonNeumann）架构，指令和数据共用信号总线以及存储器。由于指令和数据可以从存储器中同时读取，所以Cortex-M3处理器对多个操作并行执行，加快了应用程序的执行速度。Cortex-M3内核简介一：哈佛架构内核流水线分3个阶段：取指、译码和执行。当遇到分支指令时，译码阶段也包含预测的指令取指，这提高了执行的速度。处理器在译码阶段期间自行对分支目的地指令进行取指。在稍后的执行过程中，处理完分支指令后便知道下一条要执行的指令。如果分支不跳转，那么紧跟着的下一条指令随时可供使用。如果分支跳转，那么在跳转的同时分支指令可供使用，空闲时间限制为一个周期。Cortex-M3内核简介二：分支预测的流水线Cortex-M3处理器是一个存储器映射系统，为高达4GB的可寻址存储空间提供简单和固定的存储器映射，同时，这些空间为代码（代码空间）、SRAM（存储空间），外部存储器/器件和内部/外部外设提供预定义的专用地址。另外，还有一个特殊区域专门供厂家使用。借助bit-banding技术，Cortex-M3处理器可以在简单系统中直接对数据的单个位进行访问。存储器映射包含两个位于SRAM的大小均为1MB的bit-band区域和映射到32MB别名区域的外设空间。在别名区域中，某个地址上的加载/存储操作将直接转化为对被该地址别名的位的操作。对别名区域中的某个地址进行写操作，如果使其最低有效位置位，那么bit-band位为1，如果使其最低有效位清零，那么bit-band位为零。读别名后的地址将直接返回适当的bit-band位中的值。除此之外，该操作为原子位操作，其他总线活动不能对其中断。Cortex-M3存储器映射：bit-band技术传统的位处理方法和Cortex-M3bit-banding的比较：基于传统ARM7处理器的系统只支持访问对齐的数据，只有沿着对齐的字边界才可以对数据进行访问和存储。Cortex-M3处理器采用非对齐数据访问方式，使非对齐数据可以在单核访问中进行传输。当使用非对齐传输时，这些传输将转换为多个对齐传输，但这一过程不为程序员所见。见下面的表中对比：“传统的位处理方法和Cortex-M3bit-banding的比较”嵌套向量中断控制器（NVIC）：末尾连锁技术NVIC是Cortex-M3处理器中一个完整的部分，最多可支持240个外部中断，每个外部中断最多可具有256个可重新动态划分的不同优先级别。它支持优先级别中断源和脉冲中断源。当进入中断时，处理器状态会自动保存在硬盘中，NVIC还支持末尾连锁技术Cortex-M3处理器使用一个可以重复定位的向量表，表中包含了将要执行的函数的地址，可供具体的中断处理器使用。中断被接受之后，处理器通过指令总线接口从向量表中获取地址。向量表复位时指向零，编程控制寄存器可以使向量表重新定位。嵌套向量中断控制器（NVIC）：可以在硬件中处理堆栈操作，Cortex-M3处理器免去了在传统的C语言中断服务程序中为了完成堆栈处理所要编写的汇编程序包，这使应用程序的开发变得更加简单。Cortex-M3处理器使用末尾连锁（tail-chaining）技术简化了激活的和未决的中断之间的移动。末尾连锁技术把需要用时30个时钟周期才能完成的连续的堆栈弹出和压入操作替换为6个周期就能完成的指令取指，实现了延迟的降低。处理器状态在进入中断时自动保存，在中断退出时自动恢复，比软件执行用时更少，大大提高了频率为100MHz的子系统的性能。ARM公司在其Cortex-M3内核中嵌入新的Thumb-2指令集。新的Thumb-2内核技术保留了紧凑代码质量并与现有ARM方案的代码兼容性，提供改进的性能和能量效率。Thumb-2是一种新型混合指令集，融合了16位和32位指令，用于实现密度和性能的最佳平衡。在不对性能进行折中的情况下，节省许多高集成度系统级设计的总体存储成本。Cortex-M3支持的Thumb-2指令（参见PDF资料）目标：看到一段汇编的代码时，会去查处相关的指令集，读懂代码的意图/作用即可。Cortex-M3支持的Thumb-2指令：•免去Thumb和ARM代码的互相切换，对于早期的处理器来说，这种状态切换会降低性能。•Thumb-2指令集的设计是专门面向C语言的，且包括If/Then结构（预测接下来的四条语句的条件执行）、硬件除法以及本地位域操作。•Thumb-2指令集允许用户在C代码层面维护和修改应用程序，C代码部分非常易于重用。•Thumb-2指令集也包含了调用汇编代码的功能：Luminary公司认为没有必要使用任何汇编语言。Thumb-2指令的优势Cortex-M3处理器的集成调试功能可以实现快速验证，而无需使用ICE元件。系统可以通过JTAG端口或者两脚串行线（SerialWireDebug）端口进行观察。此外，支持多种开发工具：其中一种解决方案如下：Cortex-M3另一大优势：选择ARM处理器，ARM7还是Cortex-M3那么，你应该如何做出何种选择呢？如果成本是最主要考虑因素，您应该选择Cortex-M3；如果在低成本的情况下寻求更好的性能和改进功耗，您应该考虑选用Cortex-M3；特别是如果你的应用是汽车和无线领域，可以采用Cortex-M3，这也正是Coretex-M3的主要定位市场。由于Cortex-M3内核中的多种集成元素以及采Thumb-2指令集，其开发和调试比ARM7TDMI要简单快捷。TI的Stellaris系列微控制器如今包含了160多种可以向全球供货的MCU，包括售价低至1美元的MCU。这个价格一般只有8bitMCU才能达到。决策：LuminaryMicro(流明诺瑞)公司设计、经销、出售基于ARMCortex-M3的微控制器(MCU)。作为ARM的Cortex-M3技术的主要合伙人，LuminaryMicro已经向业界推出了首颗Cortex-M3处理器的芯片，用8/16位的成本获得了32位的性能。LuminaryMicro的Stellaris(群星)系列微控制器包含运行在50MHz频率下的ARMCortex-M3MCU内核、嵌入Flash和SRAM、一个低压降的稳压器、集成的掉电复位和上电复位功能、模拟比较器、10位ADC、SSI、GPIO、看门狗和通用定时器、UART、I2C、运动控制PWM以及正交编码器（检测旋转运动系统的位置和速度）输入。提供的外设直接通向管脚，没有功能复用，这个丰富的功能集非常适合楼宇和家庭自动化、工厂自动化和控制、工控电源设备、步进电机、有刷和无刷DC马达、和AC感应电动机等应用。•LuminaryMicro1.3TIStellarisfamily介绍09年TI收购LuminaryMicro，Luminary是首家做ARMCortexM3内核处理公司。在TI收购之前luminary出产的StellarisM3已经在业界享有盛誉。StellarisM3特点：1、通用的架构2、简易的开发流程3、丰富的模拟外设和通信接口4、丰富的设计资源5、低廉的价格TI的Stellaris系列微控制器如今包含了160多种可以向全球供货的MCU，包括售价低至1美元的MCU。这个价格一般只有8bitMCU才能达到。但StellarisMCU内部拥有一个ARMCortex－M3处理器。一个售价为$1.00而具有32bit的丰富指令集的MCU实在是太合算了——不用懂什么高深的数学就能明白。TIStellaris系列优势一个售价$1.00的32bitMCU的确是价廉物美！单周期Flash存储，速度高达50MHz!一些竞争对手的ARM7和Cortex-M3有更快的内核速度，但他们的Flash并不是单周期存取；一些竞争对手Flash是单周期存取,但是其内核的最大速度是有限的。TIStellaris系列优势LuminaryMicro的产品已经得到了业界的认可，丰富的外设资源和卓越的性价比，使LuminaryMicro的产品在品质和功能上都受到了广大客户的赞同，为TI赢得了广阔的市场。TIStellaris系列优势●客户对TIStellaris的选择：（1）国内某著名专业的电视机厂根据Luminary产品的性价比的优势选择了LM3S101用作音频解码。（2）某灯光音像器材厂发挥了Luminary单片机在马达控制中的优势，采用LM3S310的12路PWM控制6路电机。（3）国内某知名工业以太网设备厂家，采用Luminary单片机进行以太网转CAN、232和485的设计，性能卓越，电路简单可靠，单芯片解决方案。TIStellarisFamily系列目前TIStellaris主要包括四个系列160多种1.不含任何板级通信接口的Standstorm（LM3S811）2.含有can和internet接口（LM3S6952）3.含usb接口的DustDevil（LM3S