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1.4.2 小个子有大力量——无处不在的Cortex-M系列

《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》第1章一文读懂CPU之三生三世,本章通过几个轻松的话题,讨论一下CPU业界的“三生三世”。本节为大家介绍小个子有大力量——无处不在的Cortex-M系列。

作者:胡振波来源:人民邮电出版社|2018-05-23 13:01

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1.4.2 小个子有大力量——无处不在的Cortex-M系列

Cortex-M是一组用于低功耗微控制器领域的32位RISC处理器系列,包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4(F)、Cortex-M7(F)、Cortex-M23和Cortex-M33(F)。如果Cortex-M4 / M7 / M33处理器包含了硬件浮点运算单元(FPU),也称为Cortex-M4F/M7F/M33F。表1-3列出了Cortex-M系列各处理器的发布时间和特点。

表1-3 ARM Cortex-M系列各处理器发布时间和特点

型号

发布时间

流水线深度

描述

Cortex-M3

2004

3级

面向标准嵌入式市场的高性能低成本的ARM处理器

Cortex-M1

2007

3级

专门面向FPGA中设计实现的ARM处理器

Cortex-M0

2009

3级

面积最小和能耗极低的ARM处理器

Cortex-M4

2010

3级

在M3基础上增加单精度浮点、DSP功能以满足数字信号控制市场的ARM处理器

Cortex-M0+

2012

2级

在M0基础上进一步降低功耗的ARM处理器

Cortex-M7

2014

6级

超标量设计,配备分支预测单元,不仅支持单精度浮点,还增加了硬件双精度浮点能力,进一步提升计算性能和DSP处理能力,主要面向高端嵌入式市场

Cortex-M23

2016

2级

可以简单理解为在Cortex-M0+的基础上增加了硬件整数除法器与安全特性(TrustZone Security)

Cortex-M33

2016

3级

可以简单理解为在Cortex-M4的基础上增加了安全特性(TrustZone Security)

Cortex-M的应用场景虽然不像Cortex-A系列那样光芒四射,但是其应用的嵌入式领域需求量巨大。有数据显示,2018年物联网设备的数量将会超过移动设备,到了2021年,我们将会拥有18亿台PC、86亿台移动设备和157亿台物联网设备。譬如有一些物联网设备可能需要在几年的时间里运转,而且仅依靠自身所带的电池,Cortex-M0 由于其体积非常之小而且功耗极低,就非常适合这类产品,比如传感器。而Cortex-M3是Cortex产品家族中最为广泛使用的一款芯片,它本身的体积也非常小,可以广泛应用于各种各样嵌入智能设备,比如智能路灯、智能家居温控器和智能灯泡等。2009年Cortex-M0这款超低功耗的32位处理器问世后,打破了一系列的授权记录,成了各制造商竞相争夺的香饽饽,仅9个月时间,就有15家厂商与ARM签约。至今全球已有超过60家公司获得了ARM Cortex-M的授权,中国大陆厂商也有近十家。Cortex-M3与Cortex-M0的合计出货量已经超过200亿片,其中有一半的出货是在过去几年完成的,据称每30分钟的出货量就可以达到25万片。

Cortex-M另一个取得巨大成功的领域便是微控制器(Microcontroller Unit,MCU)。随着越来越多的电子厂商不断为物联网(IoT)推出新产品,全球微控制器(MCU)市场出货量出现巨大成长动能,且呈现出量价齐升的情况。据市场调研机构预测,2016~2020年全球微控制器(MCU)出货量与销售额将持续创新高。

在ARM推出Cortex-M之前,全球主要的几个MCU芯片公司大多采用8位、16位内核或者其自有的32位架构的处理器。ARM推出Cortex-M处理器之后,迅速受到市场青睐,一些主流MCU供应商开始选择这款内核生产MCU。

2007年6月,ST推出基于ARM Cortex-M3处理器核的STM32 F1系列MCU使之大放光芒。

2009年3月,恩智浦半导体NXP率先推出了第一款基于ARM Cortex-M0处理器的LPC1100系列MCU。

2010年8月,飞思卡尔半导体Freescale(2015年被NXP并购)率先推出了第一款基于ARM Cortex-M4处理器的Kinetis K系列MCU。

2012年11月,恩智浦半导体NXP继续率先推出了第一款基于ARM Cortex-M0+处理器的LPC800系列MCU。

2014年9月,意法半导体ST率先推出了第一款基于ARM Cortex-M7处理器的STM32 F7系列MCU。

各家供应商采用Cortex-M处理器核加之以自己特别的开发,在市场中提供差异化的MCU产品,有些产品专注最佳能效、最高性能,而有些产品则专门应用于某些细分市场。

至今,主要的MCU厂商中几乎都有使用ARM 的Cortex-M内核的产品线。可以肯定地说,Cortex-M之于32位MCU就如同8051(受到众多供应商支持的工业标准内核)之于8位MCU。未来Cortex-M系列的MCU产品替代传统的8051或其他专用架构是大势所趋。甚至有声音表示:“未来,MCU产品将不再按8位,16位和32位来分,而是会按照M0核,M3核以及M4核等ARM内核的种类来分。”作者不得不替非ARM架构的商业处理器厂商们拊膺长叹:“既生瑜,何生亮啊。”


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