ARM架構(gòu)提供兼容性體系,打造32位單片機(jī)通用平臺(tái)

隨著需求側(cè)對(duì)性能要求和處理能力的提升，32位單片機(jī)逐漸成為市場(chǎng)主流，大部分廠家單片機(jī)的內(nèi)核逐漸被第三代ARM架構(gòu)的內(nèi)核替代；2014年，基于現(xiàn)代需求設(shè)計(jì)的第四代RISC-V架構(gòu)推出，具有模塊化、極簡(jiǎn)和可拓展的特點(diǎn)，目前主要在可穿戴設(shè)備中應(yīng)用廣泛，但目前暫不具備和ARM類似的完善生態(tài)系統(tǒng)。

ARM為目前主流架構(gòu)，已形成完整的生態(tài)系統(tǒng)。ARM架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，為設(shè)計(jì)平臺(tái)提供了代碼兼容性和軟件兼容性，促使主要廠商紛紛遷移到32位單片機(jī)產(chǎn)品開發(fā)，成熟的架構(gòu)迅速替代各家自定義架構(gòu)，成為目前主流架構(gòu)，全球前十大MCU廠商32位產(chǎn)品均有導(dǎo)入ARM架構(gòu)。同時(shí)ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)上更偏重節(jié)能、能效方面，在進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著手機(jī)的快速發(fā)展而發(fā)展壯大，據(jù)軟銀數(shù)據(jù)，ARM處理器逐步占領(lǐng)全球手機(jī)市場(chǎng)，市占率高達(dá)90%以上。

ARM公司將Cortex系列細(xì)分為三大類，包括A系列、R系列和M系列。在不同應(yīng)用領(lǐng)域具體內(nèi)核不同，A系列主要用于復(fù)雜的電腦應(yīng)用，比如手機(jī)、服務(wù)器等；R系列主要用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)；最早集成到芯片級(jí)的是Cortex-M系列，主要面向各類嵌入式應(yīng)用的MCU。

Cortex-M系列主要有M0、M0+、M1、M3、M4、M7、M23和M33內(nèi)核等。按照ARM架構(gòu)分類，M0、M0+、M1屬于ARMv6-M架構(gòu)，M3、M4、M7屬于ARMv7-M架構(gòu)，M23、M33屬于ARMv8-M架構(gòu)。高性能內(nèi)核的主頻通常較高，M4、M7和M33系列中有數(shù)字信號(hào)處理拓展（DSP），M23和M33則開始擁有TrustZone特性。

M3系列于2004年10月發(fā)布，專為高性能、低成本平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)。因?yàn)榕鋫淞?/span>NVIC組件，因此較其他系列具有更高的中斷速度，在工控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。M3將傳統(tǒng)MCU外設(shè)與可編程模擬功能結(jié)合，在實(shí)際應(yīng)用中最多提高70%的中斷速度。第一款M3系列MCU為Luminary Micro于2006年推出的Stellaris LM32，但2007年6月ST推出的STM32 F1系列才讓M3內(nèi)核顯露鋒芒。

M0系列于2009年2月發(fā)布，最大的特點(diǎn)是低功耗設(shè)計(jì)，具有高效和高代碼密度的特點(diǎn)。運(yùn)算能力達(dá)到0.9DMIPS/MHz，成功以8位的價(jià)格創(chuàng)造32位效能，同時(shí)將傳統(tǒng)的8位和16位處理器升級(jí)到更低功耗、更高效的32位處理器。第一款M0產(chǎn)品為NXP于2009年3月推出的LPC 1100系列。

M4系列于2010年發(fā)布，相比于M3系列，增加了DSP擴(kuò)展和可選的單精度浮點(diǎn)單元，提供更有效的電源管理和資源分配功能。主要滿足電機(jī)控制、汽車電源和工業(yè)自動(dòng)化等新興市場(chǎng)要求。第一款M4產(chǎn)品為Freescale推出的Kinetis K系列。

M0+系列于2012年3月發(fā)布，在M0系列的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低功耗并提升性能，第一款產(chǎn)品為NXP推出的LPC800系列。

MCU生態(tài)系統(tǒng)愈發(fā)復(fù)雜，已經(jīng)擴(kuò)展到芯片設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、應(yīng)用層，完整的生態(tài)系統(tǒng)不僅要有前端，更要有后端的廠商加入才完美。目前ARM架構(gòu)已形成較為完善的生態(tài)系統(tǒng)。

RISC-V于2010年推出，針對(duì)現(xiàn)代需求設(shè)計(jì)，具有模塊化、極簡(jiǎn)和可拓展的特點(diǎn)，并且不需要為了兼容老性能而做出犧牲。RISC-V在配備操作系統(tǒng)、開發(fā)工具等的生態(tài)系統(tǒng)方面不如ARM架構(gòu)，產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟內(nèi)部對(duì)RISC-V發(fā)展方向一直存在分歧。RISC-V的靈活可拓展性及高定制化使其在對(duì)生態(tài)系統(tǒng)依賴性比較小的新型市場(chǎng)（如嵌入式IoT、人工智能等）中擁有更大的潛力。阿里平頭哥推出了基于RISC-V的開源MCU平臺(tái)，靈動(dòng)微電子等國內(nèi)企業(yè)也相繼推出基于RISC-V內(nèi)核的MCU產(chǎn)品。