ARM Cortex-M

ARM Cortex-M on 32-bitiste RISC ARM-i protsessorituumade grupp, mille litsentsi haldab ARM Holdings. ARM Cortex-M koosneb Cortex-M0, M0+, M1, M3, M4, M7, M23, M33 ja M35A tuumadest, mida kasutatakse mikrokontrollerites. Arm Holdings ei tooda ega müü enda väljatöötatud protsessoreid, vaid müüb protsessorite arhitektuure. Kõikidele litsentseeritutele tagab ARM integreeritava riistvarakirjelduse ARM-i tuumast, kogu tarkvaraarenduse tööriistakomplekti ja õiguse müüa ARM-i tuumadel põhinevaid mikrokiipe. Mikrokiipide tootjad saavad sünteesitava ARM-i protsessori riistvarakirjelduse (kirjutatud Verilogis). Sel kujul on neil võimalik rakendada arhitektuurilisi optimeeringuid ja laiendusi, tänu millele saavad tootjad pakkuda kohandatud omadustega mikrokiipe, näiteks suure taktsagedusega, väga väikese voolutarbega, laiendatud käsustikuga, optimeeritud füüsilise suuruse, silumistoega jne. Tootja andmeleht ja dokumentatsioon annavad infot, millised komponendid on mingis ARM-i CPU-s seadmestatud. Tähtsaimad Cortex-M tuuma valikulised moodulid, mis on enamikul protsessoritel esindatud: SysTicki taimer: 24-bitine süsteemitaimer, mis laiendab nii protsessori kui katkestuskontrolleri tööd. Kui protsessoril on SysTicki taimer, võimaldab see ka seadistatava prioriteediga SysTicki katkestust. Bit-banding: Seab igale mälusõnale vastavaks ühe biti bit-bandi alas. Näiteks, kui kirjutada mälus ühele kaardistatud aadressile, on võimalik pöörata vastavat bitti bit-bandi alas. Sedasi on võimalik pöörduda vastava mäluala üksikute bittide poole ja muuta nende bittide olekut C/C++ programmeerimiskeeli kasutades ilma, et oleks tarvis lugemise, muutmise ja kirjutamise operatsioone. Mälukaitse moodul (MPU): Võimaldab kaitsta eri mälupiirkondi, kehtestades prioriteete ning ligipääsureegleid. Toetatud on kuni kaheksa mälupiirkonda, millest igaüht on võimalik jagada veel kaheksaks võrdse suurusega alampiirkonnaks. Märkus: Enamik Cortex-M3 ja M4 kiipe on varustatud mälukaitse mooduli ja bit-bandingu toega. Bit-bandingu tuge on võimalik seadmestada Cortex-M0 ja M0+ tuumadesse, kasutades Cortex-M-i süsteemidisaini vahendeid. Märkus: Tarkvaraliselt tuleks enne kasutamist kontrollida, kas moodul on kindlas protsessoris olemas. Lisaks võimalikud valikud mikrokontrollerite arhitektuuris. Andmete baidijärg: tavajärjestus või pöördjärjestus. Erinevalt vanematest ARM-i tuumadest on Cortex-M muutmatult kinnistatud üheks eelnevaist. Katkestused: 1–32 Cortex-M0, M0+ ja M1 tuumade puhul ning 1–240 Cortex-M3, M4, M7 tuumade puhul Äratuskatkestuse kontroller Katkestusvektorite tabeli nihke register Käsupüüdja laius: 16-bitine või enamlevinud 32-bitine Kasutaja- või privileegitugi Kõikide registrite lähtestamine Ühetsükliline I/O port Silumispordi tugi Silumise peatamise tugi Watchpointi komparaatorite arv: kuni kaks Cortex-M0, M0+ ja M1 tuumade puhul, kuni neli Cortex-M3, M4 ja M7 tuumade puhul Katkestuspunktide komparaatorite arv: kuni 4 ja kuni 8 analoogselt eelmise punktiga Cortex-M0, M0+ ja M1 kasutavad ARMv6-M-i arhitektuuri, Cortex-M3 kasutab ARMv7-M-i arhitektuuri. Cortex-M4 ja M7 tuumad rakendavad ARMv7E-M-i arhitektuuri. Arhitektuurid on binaarselt ülespoole ühilduvad, alatest ARMv6-M-ist kuni ARMv7E-M-i arhitektuurini. Binaarsed käsud, mis on olemas Cortex-M0, M0+,M1 tuumadele, on modifikatsioonideta täidetavad Cortex-M3, M4, M7 tuumadel. Cortex-M3 binaarseid käske on võimalik muudatusteta täita Cortex-M4, M7 tuumadel. Cortex-M-i arhitektuuris on toetatud vaid Thumbi ja Thumb-2 käsud, toetatud ei ole eelnevad ARM-i 32-bitised käsustikud. Kõik kuus Cortex-M-i tuuma seadmestavad ühise alamosa käskudest, mis on pärit enamik Thumbi, osa Thumb-2 käsustikust, sisaldades ka 32-bitist korrutamist. Cortex-M0, M0+ ja M1 tuumad on disainitud pidades silmas väikseimat ränikristalli ning seetõttu toetavad ka Cortex-M-i perekonnas kõige vähem käske. Cortex-M0, M0+ ja M1 tuumade puhul on esindatud kõik Thumbi käsud, välja arvatud käsud CBZ, CBNZ, IT mis lisati ARMv7-M-i arhitektuuris. Esindatud on ka väike alamosa Thumb-2 käske (BL, DMB, DSB, ISB, MRS, MSR). Cortex-M3-s, M4-s ja M7-s on esindatud kõik Thumbi ja Thumb-2 baaskäsud. Cortex-M3 lisab 3 Thumbi käsku ja kõik Thumb-2 käsud, riistvaralise jagamise ja saturatsioonaritmeetika käsud. Cortex-M4 lisab juurde digitaalse signaalitöötluse käsud (DSP) ja valikulise ühekordse täpsusega ujukomaarvude mooduli (FPU). Cortex-M7 lisab valikulise kahekordse täpsusega ujukomaarvu mooduli. ARM-i arhitektuur ARM Cortex-M seeria jaoks eemaldas mõningaid omadusi, võrreldes eelnevate tuumadega. Eelnev 32-bitine ARM-i käsustik ei ole toetatud. Baidijärg on valitud ränikristalli implementatsioonis. Eelnevatel tuumadel oli võimalik jooksvalt andmete baidijärge muuta. Kaasprotsessorid ei ole Cortex-M-i tuumade puhul toetatud. 32-bitise ARM-i käsustiku funktsionaalsus dubleerib mitmel moel Thumbi ja Thumb-2 käsustikke, kuid mõnele 32-bitisele ARM-i käsule ei ole siiski vastet: SWP ja SWPB käskudele ei ole Cortex-M-i protsessorites vastet. 16-bitine Thumbi käsustik on palju arenenud, kuna see avaldati esimest korda ARM7T tuumades ARMv4T arhitektuuriga. Uusi Thumb käsustiku käske lisati järjest koos ARMv5, ARMv6, ARMv6T2 arhitektuuride avaldamisega. Cortex-M tuumadest on eemaldatud järgmised käsud: "BLX <vahetu>" käsku praegu enam ei ole, sest see oli mõeldud Thumbi ja ARM-i käsustike vahel valimiseks. "BLX <register>" käsk on ikka Cortex-M-i tuumades alles. CPSIE ja CPSID käske enam ei ole, sest Cortex-M-i tuumades puudub ARM-i käsustik. Teised CPS-i käsud on siiski esindatud. SETEND käsk ei ole enam esindatud, sest andmete baidijärg on kinnistatud. Kaasprotsessorite käsud ei ole enam esindatud. SWI käsk nimetati ümber SVC käsuks, kuigi binaarne kodeering jäi samaks. Siiski erineb SVC käitluskood SWI käitluskoodist erandimudelite muutuste tõttu. Cortex-M0 tuumad on optimeeritud väikese ränikristalli saavutamiseks ja mõeldud kasutamiseks odavaimates kiipides. Cortex-M0-i peamised tunnused on: ARMv6-M-i arhitektuur Kolmeastmeline käsukonveier[viide?] Käsustikud: Thumb (enamik), puudu CBZ, CBNZ, IT Thumb-2 (mõned): BL, DMB, DSB, ISB, MRS, MSR 32-bitine riistvaraline korrutamine 32-bitise tulemusega 1–32 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused Cortex-M0 tuumal põhinevad mikrokontrollerid: Cypress Semiconductori PSoC 4 Infineon Technologiesi XMC1000 Nordic Semiconductori nRF51 Series NXP-i LPC1100, LPC1200 nuvoToni NuMicro Sonixi SN32F700 STMicroelectronicsi STM32 F0 Toshiba TX00 Mikrokiibid, kus Cortex-M0 on teine tuum: NXP LPC4300 (Cortex-M4F ja Cortex-M0) Texas Instrumentsi SimpleLink Wirelessi mikrokontrollerid CC1310 ja CC2650 (Cortex-M3 ja Cortex-M0) Cortex M0+ on Cortex-M0 tuuma optimeeritud täiendus ning seega on need kaks protsessorit käsustikult teineteisega täiel määral ühilduvad ning on võimalik kasutada samu arendustööriistu. Cortex-M0+-i käsukonveier muudeti kolmeastmeliselt kaheastmeliseks, et vähendada voolutarvet. Lisaks olemasolevale silumisfunktsioonile lisati Cortex-M0+-le valikuline ränimoodul Micro Trace Buffer (MTB), mis võimaldab lihtsat instruktsioonijälgimise puhvrit. Cortex-M0+-le lisati ka M3 ja M4 omadusi, mis on võimalik rakendada arhitektuuriliselt ränimoodulina, nagu näiteks MPU ja katkestusvektorite tabeli nihe. Cortex-M0+ tuuma peamised tunnused on: ARMv6-M-i arhitektuur Kaheastmeline käsukonveier Käsustikud (sama, mis Cortex-M0): Thumb (enamik), puudu CBZ, CBNZ, IT Thumb-2 (mõned): BL, DMB, DSB, ISB, MRS, MSR 32-bitine riistvaraline korrutamine 32-bitise tulemusega 1–32 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused Cortex-M0+ tuumal põhinevad mikrokontrollerid: Atmeli SAMD, SAMR, SAML, SAMC Freescale Kinetisi E, EA, L, M, V1, W0 Holtek Semiconductori HT32F52xx NXP-i LPC800, LPC11E6x, LPC11U6x Silicon Labsi/Energy Micro EFM32 Zero, Happy Spansioni FM0+ STMicroelectronicsi STM32 L0 Väikseimad ARM-i mikrokontrollerid põhinevad Cortex-M0+ tuumal. 2014. aasta seisuga on väikseim Kinetisi KL03, mille mõõdud on vaid 1,6 mm × 2 mm. Cortex-M1 kiibid on optimeeritud FPGA kiipide sees kasutamiseks. Cortex-M1 peamised tunnused on: ARMv6-M-i arhitektuur Kolmeastmeline käsukonveier Käsustikud: Thumb (enamik), puudu CBZ, CBNZ, IT Thumb-2 (mõned): BL, DMB, DSB, ISB, MRS, MSR 32-bitine riistvaraline korrutamine 32-bitise tulemusega 1–32 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused Cortex-M1 tuuma kasutavad järgmised FPGA tootjad: Actel Altera Xilinx Cortex-M3 peamised tunnused on: ARMv7-M-i arhitektuur Kolmeastmeline käsukonveier, haru ennustamisega Käsustikud: Thumb Thumb-2 32-bitine riistvaraline korrutamine 32-bitise või 64-bitise tulemusega, märgita või ilma, liitmine või lahutamine peale korrutamist 32-bitine jagamine (2–12 tsüklit) Saturatsioonaritmeetika tugi 1–240 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused 12-tsükliline katkestuslatentsus Integreeritud magamislaadid 1–32 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused Cortex-M3 tuumal põhinevad mikrokontrollerid: Acteli SmartFusion, SmartFusion 2 Analog Devicesi ADuCM3xx Atmeli SAM3A, SAM3N, SAM3S, SAM3U, SAM3X Cypress Semiconductori PSoC 5 Holteki HT32F Luminary Micro LM3S1968 NXP-i LPC1300, LPC1700, LPC1800 ON Semiconductori Q32M210 Silicon Labsi Precision32 Silicon Labsi/Energy Micro EFM32 Tiny, Gecko, Leopard, Giant Spansioni FM3 STMicroelectronicsi STM32 F1, F2, L1, W Texas Instrumentsi SimpleLink Wirelessi MCUs (CC1310 Sub-GHz ja CC2650 BLE ja ZigBee ja 6LoWPAN) Toshiba TX03 Järgmistel tuumadel on Cortex-M3 teine tuum: Apple'i A9 (Cortex-M3 integreeritud M9 Motion kaasprotsessorina) CSR Quatro 5300 seeria (Cortex-M3 kaasprotsessorina) Samsungi Exynos 7420 (Cortex-M3 dünaamilise pingeseadmise mikrokontrollerina) Texas Instrumentsi F28, LM3, TMS470, OMAP 4470 (üks Cortex-A9 ja kaks Cortex-M3) XMOS XS1-XA perekond (seitse xCORE ja üks Cortex-M3) Cortex-M4 on peaaegu võrdväärne Cortex-M3-ga. Vahe seisneb Cortex-M4-le lisatud signaalitöötlusinstruktsioonides ja valikuliselt on võimalik lisada ka ujukomamoodul (FPU). Kui tuum sisaldab ujukomamoodulit, nimetatakse seda Cortex-M4F-ks, muidu Cortex-M4-ks. Cortex-M4 peamised tunnused on: ARMv7E-M-i arhitektuur Kolmeastmeline käsukonveier, haru ennustamisega Käsustikud: Thumb Thumb-2 32-bitine riistvaraline korrutamine 32-bitise või 64-bitise tulemusega, märgita või ilma, liitmine või lahutamine peale korrutamist 32-bitine jagamine (2–12 tsüklit) Saturatsioonaritmeetika tugi Signaalitöötlusinstruktsioonid: ühetsükliline 16/32-bitine MAC, ühetsükliline duaalne 16-bitine MAC, 8/16-bitine SIMD aritmeetika 1–240 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused 12-tsüklilinekatkestuslatentsus Integreeritud magamislaadid 1–32 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused Cortex-M4 tuumal põhinevad mikrokontrollerid: Atmeli SAM4L, SAM4N, SAM4S, SAM4N Freescale Kinetisi K, W2 Cortex-M4F tuumal põhinevad mikrokontrollerid: Atmeli SAM4C (dual core), SAM4E, SAMG Freescale Kinetisi K, V3, V4 Infineoni XMC4000 Nordic Semiconductori nRF52 NXP-i LPC4000, LPC4300 (Cortex-M4F ja Cortex-M0) Silicon Labsi/Energy Micro EFM32 Wonder Spansioni FM4 STMicroelectronicsi STM32 F3, F4, L4 Texas Instrumentsi LM4F, TM4C, MSP432 Texas Instrumentsi SimpleLink Wi-Fi CC3200 ja CC3200MOD (FCC, IC) Toshiba TX04 Järgmistel tuumadel on Cortex-M4 või Cortex-M4F teine tuum: Freescale Vybridi VF6 (Cortex-A5 ja Cortex-M4F) Freescale i.MX 6 SoloX (Cortex-A9 ja Cortex-M4F) Freescale i.MX 7 Solo/Dual (üks või kaks Cortex-A7 ja Cortex-M4F) Texas Instrumentsi OMAP 5 (üks kahetuumaline Cortex-A15 ja kaks Cortex-M4) Cortex-M7 on suure jõudlusega tuum, millel on pea kaks korda nii palju arvutusvõimsust kui vanematel Cortex-M4 tuumadel. Cortex-M7-l on kuueastmeline superskalaarne käsukonveier haruennustusega ning valikuline ujukomamoodul, mis on suutlik ühekordse täpsusega ja valikuliselt ka kahekordse täpsusega ujukomaoperatsioonideks. Instruktsiooni- ja andmesiinid on laiendatud 64-bitise laiuseni võrreldes eelmiste tuumade 32-bitiste siinidega. Kui tuumas on esindatud FPU, nimetatakse tuuma Cortex-M7F, vastasel juhul Cortex-M7. Cortex-M7 peamised tunnused on: ARMv7E-M-i arhitektuur Kuueastmeline käsukonveier, haruennustusega Käsustikud: Thumb Thumb-2 32-bitine riistvaraline korrutamine 32-bitise või 64-bitise tulemusega, märgita või ilma, liitmine või lahutamine peale korrutamist 32-bitine jagamine (2–12 tsüklit) Saturatsioonaritmeetika tugi Signaalitöötlusinstruktsioonid: ühetsükliline 16/32-bitine MAC, ühetsükliline duaalne 16-bitine MAC, 8/16-bitine SIMD aritmeetika 1–240 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused 12-tsükliline katkestuslatentsus Integreeritud magamislaadid 1–32 katkestust, lisaks mitteignoreeritavad katkestused Cortex-M7 tuumal põhinevad mikrokontrollerid: Atmeli SAME70, SAMS70, SAMV70 Freescale Semiconductori Kinetis KV5x STMicroelectronicsi STM32 F7 Kõikide ARM-i kiipide kohta on dokumentatsiooni väga palju, eriti algajatest kasutajata jaoks. Eelmise kümnendi mikrokontrollerite dokumentatsioon mahtus vabalt ühte dokumenti, kuid koos kiipide arenguga on kasvanud ka dokumentatsiooni hulk. ARM-i mikrokontrollerite dokumentatsiooni on raske hoomata, sest see koosneb nii mikrokontrollerite disainerite dokumentatsioonist kui ka ARM-i tuumade disaineri ARM Holdingsi dokumentatsioonist. Tüüpilise dokumentatsioonipuu näidis, kus kõige kõrgemal on kõige üldisema sisuga allikas: Mikrokontrolleri tootja veebisait Mikrokontrolleri tootja turundusmaterjal Mikrokontrolleri tootja andmeleht Mikrokontrolleri tootja teatmik ARM-i tuuma veebisait ARM-i tuuma üldine kasutusjuhend ARM-i tuuma tehniline teatmik ARM-i tuuma arhitektuuriline teatmik Mikrokontrollerite tootjatel on tihti ka lisadokumente, nagu prototüüpimisplaatide kasutusjuhised, juhendid algajatele, tarkvarateegid, tarkvaranäited jpm. ARM Cortex-A ARM Cortex-R http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0432c/DDI0432C_cortex_m0_r0p0_trm.pdf http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0484b/DDI0484B_cortex_m0p_r0p0_trm.pdf http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0413d/DDI0413D_cortexm1_r1p0_trm.pdf http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0337h/DDI0337H_cortex_m3_r2p0_trm.pdf http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.ddi0439b/DDI0439B_cortex_m4_r0p0_trm.pdf ARMv6-M Architecture Reference Manual; ARM Holdings. ARMv7-M Architecture Reference Manual; ARM Holdings. http://infocenter.arm.com/help/topic/com.arm.doc.dai0179b/AppsNote179.pdf Cortex-M System Design Kit; ARM Holdings. http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.dui0552a/Ciheijba.html http://www.nxp.com/products/microcontrollers-and-processors/arm-processors/kinetis-cortex-m/l-series/kinetis-kl03-48-mhz-small-form-factor-high-integration-ultra-low-power-microcontrollers-mcus:KL03?tid=FSLConnect Sadasivan, Shyam. "An Introduction to the ARM Cortex-M3 Processor" (PDF). ARM Holdings. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 26. juuli 2014. Vaadatud 17. detsembril 2015. "The Samsung Exynos 7420 Deep Dive – Inside A Modern 14nm SoC". AnandTech. Vaadatud 15.06.2015. "Cortex-M7 Processor". ARM Holdings. Vaadatud 24.09.2014. Press Release – ARM Supercharges MCU Market with High Performance Cortex-M7 Processor; arm.com; September 24, 2014; http://www.arm.com/products/processors/cortex-m/index.php