你不得不知的Cortex-M3和M4微控制器使用秘诀

　　许多嵌入式开发人员对ARM Cortex处理器架构颇为熟悉，但很少有人能够对这种流行架构了如指掌，从而可以充分发挥它独特的特性和性能。ARM Cortex-M4处理器尤为如此，它拥有引以为豪的增强架构、天生的数字信号处理（DSP）能力和可选的浮点加速器，使精于此道的程序设计人员或硬件工程师可以充分发挥它的优势。本文接下来将就Cortex-M3/M4微控制器（MCU）的一些更有趣的（但经常遭到忽视的）特性展开详细的论述。

　　大部分采用Cortex-M3/M4 MCU的目标应用是便携式的，并且供电电源来自电池或能源收集系统，因此我们所探讨的大部分概念涉及如何减少系统整体能耗的技术。然而，在许多情况下，这些节能技术也是处理器应用设计的有力工具，可提供：

　　● 更符合成本效益的解决方案

　　● 更大的升级和采用新特性的设计冗余

　　● 有助于产品在激烈竞争市场上脱颖而出的性能和特性

　　ARM Cortex基本介绍

　　就像Advanced RISC Machines（ARM）公司在20世纪80年代所推出的第一代16位处理器内核一样，ARM Cortex系列以哈佛式RISC架构为基础，采用适度的硅封装工艺获得更高性能，以及代码和内存效率。该架构在过去十年间大有进展，扩展出了三种不同的子系列，以满足特定应用的需求：

　　● A型系列处理器针对高效能开放应用平台而优化设计。

　　● R型系列处理器注重提升实时应用的性能和可靠度。

　　● M型系列处理器特别为采用嵌入式MCU的应用而设计，其性能必须在能源效率和降低解决方案成本之间加以平衡。适用于Cortex M系列的常见应用包括智能电表、人机接口设备、汽车与工业控制系统、白色家电、消费电子产品和医疗器材等。

　　Cortex-M3对比Cortex-M4

　　Cortex-M3架构背后的指导思路是设计一种既要满足应用的成本效益又要提供高性能计算和控制1的处理器。类似的应用包括汽车车身系统、工业控制系统和无线网络/传感器产品等。M3系列为32位的ARM处理器架构引进了多项重要特性，包括：

　　● 不可屏蔽式中断

　　● 高度确定性、嵌套、向量式中断

　　● 原子位操作

　　● 可选的存储保护（MPU）

　　除了绝佳的计算性能，Cortex-M3处理器先进的中断结构还能确保系统迅速响应真实世界的事件，同时仍然提供极低的动态与静态功耗2。

　　图1：Cortex-M3与M4处理器内核的比较。

　　Cortex-M3和M4处理器共享许多相同的设计要素，包括先进的片内调试特性，以及执行完整ARM指令集或ARM指令子集（用于THUMB2处理器）的能力。Cortex-M4处理器的指令集具有增强的高效DSP特性库，包括扩展的单周期16/32位乘法累加器（MAC）、双16位MAC指令、优化的8/16位SIMD运算及饱和运算指令。总体来说，M3与M4最显著的差别在于，M4具有可选的单精度（IEEE-754）浮点单元（FPU）。

　　多项秘诀造就巧妙解决方案

　　嵌入式设计的成败经常取决于如何在系统性能、能耗和解决方案成本之间找到适当的平衡。许多情况下，开发人员可以采用Cortex-M处理器上的独特特性来优化产品成本或能源需求，同时维持、甚至提升它的性能。例如，Cortex-M内核天生的串行I/O能力能够用于节省能源、简化开发、释放外设以用于其它应用任务。

　　除了传统的串行调试（Serial Wire Debug）功能之外，基于ARM Cortex-M的MCU还可以通过它的单引脚串行监视器输出（Serial Wire Viewer Output，SWO）3提供指令跟踪接口，如图2所示。这个接口可以直接把"printf格式的"调试信息传递给应用代码。SWO允许调试信息直接在任何标准的IDE中浏览。此外，这些信息也可以用独立的SWO监视器（例如，Segger的J-Link SWO Viewer软件4，或是Silicon Labs的energyAware Commander 4）进行浏览。由于SWO输出内建于内核硬件本身，因此它是Cortex-M内核与生俱来的优点。SWO不占用MCU的任何UART接口，这些接口它们可能早已被分配给了应用。

　　图2：专用ARM Cortex SWO接口节省I/O引脚并加速调试。

　　基于SWO的调试还有一个重要的优势在于，它让微控制器在进入最低的休眠模式时，保持调试连接有效，而在大多数情况下，传统的调试连接这时是不能正常工作的。SWO的指令追踪还可以用于跟踪程序计数器，以帮忙IDE统计出程序各项功能所占用的时间。这些统计数字能够与电流测量结合起来，帮助开发人员对设计功耗进行微调。

基于Cortex-M的微控制器供应商正在开始重新认识这项优点，而且有些厂商已经为了这个目的而把功耗模式和电流测量硬件纳入到本身的开发平台。例如，Silicon Labs的EFM32(＄1.6875) Gecko MCU入门级和开发级工具包都包含功耗测量输出，并