基于ARM的CPU在MCU領域無處不在，通常有幾個可從同一個MCU供應商處獲得。每個ARM CPU都針對一類特定的處理要求進行了優(yōu)化，從低端功耗約束應用到高功耗性能優(yōu)化的雙核應用。目前，MCU設備中最流行的ARM CPU似乎是Cortex CPU。您如何確定哪種ARM Cortex CPU適合您的應用?讓我們通過查看示例實現(xiàn)來探索一些更受歡迎的基于Cortex的MCU之間的主要區(qū)別，這些示例實現(xiàn)將幫助您確定哪一個適合您的下一個設計。

許多選項

找到許多不同的東西并不罕見單個MCU系列中的ARM Cortex CPU。 Cortex CPU及其可選擴展可滿足各種應用需求，但都具有向后兼容的指令集，如圖1所示。從Cortex-M0/M0 +/M1系列開始，指令集針對通用目的數(shù)據(jù)處理和IO任務。 Cortex-M3 CPU增加了高級數(shù)據(jù)處理和位域操作指令，可加速更復雜的控制和通用計算任務。 Cortex-M4 CPU增加了數(shù)字信號處理(DSP)指令，并提供單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)操作，其中相同的數(shù)據(jù)處理指令可以同時對多個數(shù)據(jù)源進行操作。這些專業(yè)功能可以極大地加速復雜的數(shù)據(jù)處理任務，如音頻和視頻應用程序中的任務。當性能和精度都是目標算法的重要元素時，Cortex-M4 CPU還可以添加浮點單元(FPU)。例如，模擬傳感和電機控制通常使用浮點來實現(xiàn)精度，但快速控制環(huán)閉合需要高性能。

圖1：ARM Cortex MCU指令集兼容性。 (由ARM和STMicroelectronics提供)

這種常規(guī)和向后兼容指令集的一個關鍵優(yōu)勢是MCU制造商可以創(chuàng)建針對特定應用進行優(yōu)化的設備，同時如果算法增長，則通過向上兼容性“覆蓋所有賭注”目標系統(tǒng)生命周期中的復雜性。例如，您需要多少次添加更復雜的功能才能滿足開發(fā)過程中的新要求? Cortex指令集架構(ISA)的向上兼容性使這很容易。在某些情況下，也可以簡化目標架構，因為向下兼容性可以降低成本，如果可接受的性能較低。

STMicroelectronics在其STM32 MCU系列中使用了多個ARM Cortex CPU。圖2顯示了各種Cortex CPU以及與每個MCU系列相關的關鍵硬件功能。請注意，Cortex-M0 CPU用于入門級STM32F030/50/051器件，而帶有DSP和FPU的Cortex-M4用于高性能STM32F4xx(例如STM32F401RCT6)和STM32F3xx器件。中檔設備使用Cortex-M3 CPU，其中不需要更復雜的DSP和FPU指令以獲得最高性能。 (如果需要，這些指令可以用多個指令實現(xiàn)，大多數(shù)編譯器提供了一種相當透明的方法，用于在硬件實現(xiàn)和多周期“軟”實現(xiàn)之間切換。)

圖2：STM32F MCU系列Cortex CPU和關鍵硬件功能。 (由STMicroelectronics提供)

其他供應商也支持多種ARM Cortex MCU，通常具有廣泛的性能和成本范圍。例如，Silicon Labs擁有使用ARM Cortex-M CPU的EFM32系列MCU(例如，EFM32ZG222F32-QFP48)。低端低功耗GZ系列使用Cortex-M0 + CPU，而中端TG，G，LG和GG系列使用Cortex-M3 CPU。高端WG系列使用Cortex-M4 CPU，具有DSP和FPU增強功能。有10種不同的軟件包選項可以通過一些前期規(guī)劃從一種CPU類型遷移到另一種CPU類型，從而更容易適應不斷變化的需求或使用相同的基礎設計提供不同的產品。

Cortex-A架構

Cortex-M架構是一個非常受歡迎的MCU制造商，但Cortex-A架構也出現(xiàn)在供應商的設備中，通常在MPU中，其中大型外部存儲器用于指令和數(shù)據(jù)。 Cortex-A CPU針對超高性能應用進行了優(yōu)化，通常需要視頻播放和高級安全性等功能。例如，基于Atmel Cortex-A5的SAMA5D4 MPU(圖3)使用Cortex-A5 CPU，具有2 x 32 kb 1級高速緩存和128 kb 2級高速緩存，以加快處理性能。片上DDR2/LPDDR/LPDDR2控制器訪問外部存儲器中的指令和數(shù)據(jù)，因此可以使用非常大的程序和數(shù)據(jù)集。例如，視頻處理算法可能需要非常大的數(shù)據(jù)集以及非常大的程序。硬件子系統(tǒng)為安全性，連接性，控制和用戶界面提供了重要功能，以簡化復雜人機界面和相關控制系統(tǒng)的創(chuàng)建。

圖3：Atmel SAMA5D4 MPU框圖。 (由Atmel提供)

SAMA5D4還支持兩個重要的Cortex擴展功能 - Trust Zone和NEON。 Trust Zone支持安全的代碼執(zhí)行。通常，處理器需要執(zhí)行一些與安全相關的功能(例如安全PIN輸入或密碼保護)以及一些正常的程序功能(例如圖形顯示或菜單選擇例程)。 Trust區(qū)域硬件擴展允許程序員保護與安全相關的功能免受正常訪問和潛在的安全攻擊。甚至調試功能也可以僅限于正常程序，以進一步保護安全例程免受窺探和類似攻擊。

NEON擴展為基于SIMD的算法提供了顯著的處理性能改進。 NEON擴展的共同目標是多媒體，信號處理2D/3D圖形，視頻編碼/解碼和聲音合成。 NEON有自己獨立的流水線和寄存器文件，可以支持32位寄存器上的有符號/無符號8位，16位，32位，64位和單精度浮點運算，這些寄存器被視為64位或128位寬取決于指示。與非SIMD實現(xiàn)相比，NEON通?？梢蕴峁╋@著的性能提升;復雜視頻編解碼器的性能提升60-150%是典型的例子。

多核CPU解決方案

ARM Cortex CPU也出現(xiàn)在多核MCU實現(xiàn)中。這些設備有時具有兩種不同的性能CPU，一種是針對目標應用功能“繁重”的高性能，另一種是用于管理通信端口，用戶界面和類似低級控制功能的性能較低的CPU。其他多核設備具有相同類型的CPU，只需復制，以便于分區(qū)和分配不太專業(yè)的處理功能，以實現(xiàn)處理和功率效率的正確平衡。例如，如果不需要滿足性能要求(可能在“慢”數(shù)據(jù)期間)，則可以將一個CPU置于低功耗等待狀態(tài)，然后在需要額外處理時打開。

Texas Instruments在圖4所示的Concerto MCU系列中(作為示例見F28M35H52C1RFPT)在其流行的C28x CPU中增加了一個ARM Cortex-M3處理器，為單個器件中的控制和連接提供了一個簡單的解決方案。 C28x CPU已針對實時控制進行了優(yōu)化，可充分利用其15年以上的DSP應用經(jīng)驗。 ARM Cortex-M3 CPU針對通信應用進行了優(yōu)化，它可以利用廣泛的ARM生態(tài)系統(tǒng)來實現(xiàn)通信驅動程序(以太網(wǎng)，USB，CAN，SPI等)以及強大的調度和O/S支持。

圖4：德州儀器(TI)的雙CPU核心Concerto™MCU系列。 (由Texas Instruments提供)

將您的應用程序與正確的ARM Cortex CPU相匹配

您可以在幾乎所有MCU制造商的各種MCU系列中找到ARM Cortex CPU。為了使正確的Cortex CPU與您的應用程序相匹配，您應該首先確定哪種指令集最適合您的應用程序。特別是，要查看是否需要高級數(shù)據(jù)處理功能，如浮點或DSP。您是否需要更高級的功能，如NEON或Trust Zone?也許您的應用程序更加面向控制，低功耗是關鍵要求?如果是這樣，更簡單的M0架構可能是合適的。中檔設計可以利用Cortex-M3 CPU并根據(jù)連接要求和其他關鍵外設選擇設備 - 您通常在MCU制造商的中檔設備中擁有最多的選擇。

如果您的要求在在設計階段，您可能希望能夠遷移到功能更豐富的設備或功能更多的設備。在這種情況下，選擇支持在設備之間輕松遷移的MCU系列可能很重要。您還可以使用大型ARM Cortex生態(tài)系統(tǒng)來利用經(jīng)過驗證的驅動程序，RTOS，特定于功能的庫和開發(fā)工具鏈。無論您選擇哪種ARM Cortex CPU，您都可以確保有一個強大的生態(tài)系統(tǒng)可用于簡化您的設計。