【正点原子STM32】Cortex-M系列介绍(ARM、Cortex、DMIPS/MHz和CoreMark/MHz*)

一、ARM公司
二、Cortex内核分类及特征
三、Cortex-M3/4/7介绍
四、总结

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一、ARM公司

ARM架构特点

ARM（Advanced RISC Machine）架构是一种RISC（Reduced Instruction Set Computing）架构，具有以下特点：

1. 精简指令集： ARM架构采用了RISC设计哲学，使其指令集相对简单，每条指令执行的操作较为有限，从而提高指令的执行效率。

2. 固定指令长度： ARM指令的长度通常是定长的，这简化了指令解码的硬件设计，有利于提高流水线的效率。

3. 低功耗设计： ARM处理器设计注重功耗效率，适用于移动设备和嵌入式系统。这使得ARM架构在便携设备、物联网（IoT）和低功耗需求的应用中得到广泛应用。

4. 多层次流水线： ARM处理器通常具有多级流水线，使得多条指令可以在同一时钟周期内同时执行，提高了整体性能。

5. 架构可移植性： ARM架构设计为可移植的，允许设计不同规模和性能的处理器，适用于广泛的应用领域。

6. 多核处理： ARM架构广泛支持多核处理器，从双核到多核的设计，适应了日益增长的并行计算需求。

7. 灵活的寻址模式： ARM架构提供了灵活的寻址模式，允许对多个内存位置进行操作，同时支持寻址模式的变化。

8. Thumb指令集： ARM架构引入了Thumb指令集，这是一种压缩指令集，可以减小程序的存储空间，适用于资源受限的环境。

9. 广泛应用领域： ARM架构在移动设备（如智能手机、平板电脑）、嵌入式系统（如嵌入式控制器、物联网设备）、网络设备和汽车电子等领域中得到广泛应用。

总体而言，ARM架构的设计理念是面向功耗效率和灵活性的，使得它成为各种嵌入式系统和移动计算设备的理想选择。

二、Cortex内核分类及特征

体系结构（ARM架构版本）与其对应的ARM处理器内核

Cortex-A（Application）

Cortex-A系列是ARM公司推出的一系列面向应用处理器的处理器核心。这些处理器核心被设计用于高性能计算和处理复杂任务的应用，比如智能手机、平板电脑、个人计算机、服务器以及其他需要高性能计算的设备。以下是一些Cortex-A系列的特点和应用：

1. 高性能计算： Cortex-A系列处理器核心旨在提供高性能计算能力，适用于复杂的应用场景。这使得它们在智能手机、平板电脑和其他计算密集型设备上表现出色。

2. 多核处理： Cortex-A系列支持多核设计，这允许设备集成多个处理器核心以提高整体性能和并行处理能力。

3. 虚拟化支持： 这些处理器核心通常提供硬件虚拟化支持，使得在同一硬件上运行多个操作系统或虚拟机成为可能。

4. 大核小核设计： 部分Cortex-A系列处理器采用了big.LITTLE架构，即结合了高性能的大核和低功耗的小核。这种设计在平衡性能和功耗之间取得了较好的平衡，对于移动设备等场景非常有用。

5. NEON SIMD指令集： Cortex-A系列支持NEON技术，这是一种单指令多数据（SIMD）扩展指令集，用于加速多媒体和信号处理应用。

6. 广泛的应用领域： Cortex-A系列处理器广泛应用于各种设备，包括智能手机、平板电脑、个人计算机、网络设备、嵌入式系统和服务器等。

7. 安全性： 最新的Cortex-A系列处理器在硬件层面提供了一些安全特性，以帮助保护设备免受恶意软件和攻击。

举例来说，Cortex-A72、Cortex-A73、Cortex-A75、Cortex-A76等都是Cortex-A系列中的一些代表性处理器核心。这些处理器核心的特性和性能取决于具体的型号和架构版本。

Cortex-R（Real-time）

Cortex-R系列是ARM公司推出的一系列专为实时（real-time）应用而设计的处理器核心。这些核心的设计目标是满足对实时性能、可靠性和可预测性的需求，使它们适用于一系列实时应用，包括通信基站、汽车控制系统、嵌入式系统等。以下是Cortex-R系列的一些特点：

1. 实时性能： Cortex-R系列处理器核心专注于提供高实时性能，能够在短时间内响应特定的任务。这使得它们适用于对响应时间有严格要求的应用，如通信基站和实时控制系统。

2. 低延迟： 这些核心的设计注重降低指令执行的延迟，确保在实时系统中能够及时响应外部事件。

3. 硬实时能力： Cortex-R系列支持硬实时（hard real-time）要求，即能够保证在预定的时间内完成任务，而不受外部因素的干扰。

4. 高可靠性： 这些处理器核心的设计考虑了高可靠性的要求，以满足一些关键应用领域，如汽车电子控制系统。

5. 嵌入式系统： Cortex-R系列通常用于嵌入式系统，包括汽车电子、网络处理、存储控制器等领域。

6. 嵌入式特性： 与Cortex-A系列相比，Cortex-R系列更注重在嵌入式系统中的集成和可靠性，而不一定追求高度的通用性。

7. 多核设计： 一些Cortex-R系列处理器支持多核设计，以提供更高的性能和冗余。

8. 向量处理器支持： 一些最新的Cortex-R系列处理器还提供向量处理单元，用于加速一些计算密集型任务。

举例来说，Cortex-R4、Cortex-R5、Cortex-R7是Cortex-R系列中的一些代表性处理器核心。这些核心在实时嵌入式应用中发挥着重要的作用，提供了高性能和可靠性。

Cortex-M（Microcontroller）

Cortex-M系列是ARM公司专为微控制器（Microcontroller）设计的处理器核心系列。这些核心旨在提供低功耗、高效能的解决方案，广泛应用于嵌入式系统，包括物联网设备、传感器、工业控制、医疗设备等。以下是Cortex-M系列的一些特点：

1. 低功耗设计： Cortex-M系列处理器核心被设计为低功耗架构，适用于移动电源和电池供电的嵌入式系统。

2. 低成本： 这些核心的设计注重成本效益，使得它们适用于大规模的嵌入式系统部署，例如物联网中的大量设备。

3. 精简指令集： 采用RISC架构，指令集相对简单，使得处理器核心能够以更低的时钟频率执行指令，从而降低功耗。

4. 小尺寸： Cortex-M系列处理器核心的面积相对较小，适用于有限的存储和资源的嵌入式系统。

5. 实时性能： 这些核心支持实时性能要求，使其适用于需要快速响应的嵌入式系统，例如传感器和实时控制应用。

6. 多核设计： 最新的Cortex-M系列中一些处理器核心支持多核设计，以提供更高的性能和冗余。

7. 内置外设和功能： Cortex-M系列通常与丰富的外设和功能集成，包括通用输入输出（GPIO）、定时器、通信接口（例如UART、SPI、I2C）、模拟数字转换器（ADC）等。

8. 全球采用率高： Cortex-M系列是全球使用最广泛的嵌入式微控制器核心之一，得到了许多微控制器制造商的采用。

举例来说，Cortex-M0、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7是Cortex-M系列中的一些代表性处理器核心。它们在各种嵌入式应用中提供了高性能和低功耗的解决方案。

三、Cortex-M3/4/7介绍

ARM Cortex-M3/4/7

CPU Processors

Cortex-M3/4/7 详细参数

DMIPS/MHz

DMIPS/MHz（Dhrystone MIPS per Megahertz）是一个性能衡量单位，通常用于评估处理器的性能。DMIPS表示每秒执行的Dhrystone百万条指令数，而MHz表示处理器的时钟频率。

Dhrystone是一种用于衡量计算机性能的基准测试程序。DMIPS/MHz的值表示在每秒内每兆赫兹时钟频率下，处理器能够执行多少Dhrystone百万条指令。这个值是一个相对的性能指标，用于比较不同体系结构或处理器之间的性能。

一般而言，DMIPS/MHz的值越高，表示在相同时钟频率下，处理器性能越好。然而，需要注意的是，DMIPS/MHz并不是唯一用于评估处理器性能的标准，因为不同的应用场景可能对处理器的性能有不同的要求。

在实际应用中，还需要考虑其他因素，如内存访问效率、缓存性能、指令集架构等。因此，DMIPS/MHz只是性能评估的一个方面，不应该作为唯一决定因素。

CoreMark?/MHz*

CoreMark?/MHz是另一种用于评估处理器性能的指标，类似于DMIPS/MHz。CoreMark是一种基准测试程序，旨在测量嵌入式处理器的性能。与DMIPS不同，CoreMark更加现代和面向嵌入式系统。

具体而言，CoreMark是一个由EEMBC（嵌入式微处理器性能基准委员会）开发的基准，用于评估处理器在处理各种常见嵌入式工作负载时的性能。CoreMark的计分方式为每秒执行多少个CoreMark。

因此，CoreMark?/MHz*指标表示在每兆赫兹时钟频率下，处理器能够实现的CoreMark数。与DMIPS/MHz类似，这是一个相对的性能指标，用于比较不同体系结构或处理器之间的性能。

在选择处理器时，除了考虑DMIPS/MHz和CoreMark?/MHz之外，还需要考虑其他因素，如功耗、内存访问效率、硬件加速支持等，以确保选择的处理器适合特定的应用场景。

CoreMark?分数

四、总结