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8051与ARM微控制器的构架及软硬件差异分析

  Cortex-M处理器系列包括广泛使用的Cortex-M3处理器、针对FPGA的Cortex-M1处理器、2009年初推出的Cortex-M0处理器(最小的 ARM 处理器)和2010年初推出的 Cortex-M4处理器(支持浮点和数字信号处理增强指令)。这些处理器具有先进的功能特点和简单易用的编程模型,对于想从8051微控制器迁移到ARM架构的开发人员来说,极具吸引力。本文是一篇入门指南,目的是帮助8051微控制器的开发人员了解8051和ARM Cortex-M处理器系列在架构、软件和硬件设计上的主要差异,从而加快迁移过程。
  寄存器
  ARM Cortex-M处理器具有一个32位寄存器库和一个xPSR(组合程序状态寄存器)。而8051具有ACC(累加器)、B、DPTR(数据指针)、PSW(处理器状态字)和四个各含八个寄存器的寄存器库 (R0-R7)。
  在8051中,一些指令会频繁使用某些寄存器,如ACC和DPTR。
  这种相关性会极大降低系统的性能,而在ARM处理器中,指令可使用不同的寄存器来进行数据处理、内存存取和用作内存指针,因此不会有这个问题。
  从根本上说,ARM 架构是一个基于加载(Load)和存储(Store)的RI S C架构,处理器寄存器加载数据,然后将数据传给A LU进行单周期执行。而8051寄存器(ACC、B、PSW、SP和DPTR)可在SFR(特殊功能寄存器)的内存空间中访问。
  为了确保普通的C函数能够用作中断处理程序,在需要处理中断时,Cortex- M的寄存器(R 0 - R 3、R12、L R、P C和xPSR)会被自动压入堆栈,而软件仅需在必要时将其他寄存器压入堆栈。虽然8051具有4个寄存器库,但是ACC、B、D P T R和PSW寄存器并不会自动压栈,因此通常需要通过中断处理程序对这些寄存器进行软件压栈。
  寄存器
  ARM处理器具有32位寻址,可实现一个4GB的线性内存空间。该内存空间在结构上分成多个区。每个区都有各自的推荐用法(虽然并不是固定的)。统一内存架构不仅增加了内存使用的灵活性,而且降低了不同内存空间使用不同数据类型的复杂性。
  相反地,8051微控制器具有多个内存空间。内存空间的分割使得有效地利用全部内存空间变得困难,而且需要借助C语言扩展来处理不同的内存类型。
  8051在外部R A M内存空间上最高支持* K B的程序内存和64K B的数据内存。理论上,可以利用内存分页来扩展程序内存大小。不过,内存分页解决方案并未标准化,换句话说,不同8051供应商的内存分页的实现并不相同。这不仅会增加软件开发的复杂性,而且由于处理页面切换所需的软件开销,还会显着降低软件性能。
  在ARM Cortex-M3或M4上,S R A M区和外设区都提供了一个1MB的位段区。此位段区允许通过别名地址访问其内部的每个位。由于位段别名地址只需通过普通的内存存取指令即可访问,因此C语言完全可以支持,不需要任何特殊指令。而8051提供了少量的位寻址内存。处理这些位数据需要特殊指令,而要支持此功能,C编译器中需要C语言扩展。
  ARM Cortex-M处理器的内存映射包含多个内置外设块。例如,ARM Cortex-M处理器的一个特性是具有一个嵌套矢量中断控制器 (NVIC) 。此外,系统区中内存映射有数个指定控制寄存器和调试组件,以确保优异的中断处理并极大方便开发人员使用。
  堆栈内存
  堆栈内存操作是内存架构的重要组成部分。在8051中,堆栈指针只有8位,同时堆栈位于内部的内存空间(上限为256个字节,并由工作寄存器(四个各由R0至R7构成的寄存器库)和内部数据变量共享)。堆栈操作基于空递增模型。
  与8051不同的是,ARM Cortex-M处理器使用系统内存作为堆栈,采用满递减模型。
  满递减堆栈内存模型更受C语言的支持。例如,微控制器中的SRAM的使用可组织为:
  使用动态分配内存空间的C库和应用程序通常需要堆内存。
  尽管Cortex-M处理器的每次压栈需要32位的堆栈内存,总的R A M使用仍然要比8051小。8051的变量通常是静态地放在IDATA上,而ARM处理的局部变量是放在堆栈内存上的,因此,只有当函数执行的时候,局部变量才会占用RAM空间。
  此外,ARM Cortex-M 处理器提供有第二个堆栈指针,以允许操作系统内核和进程堆栈使用不同的堆栈内存。这使得操作更可靠,也使操作系统设计更高效。(堆栈指针切换是自动处理的)8051中的很多外设是通过特殊功能寄存器 (SFR) 来控制的。由于SFR空间只有128个字节,而且其中一些已经为处理器寄存器和标准外设所占用,剩余的SFR地址空间通常非常有限,因此也就限制了可通过SFR控制的外设数量。虽然可以通过外部内存空间来控制外设,但是与SFR存取相比,外部存取通常需要更多的开销(需要将地址复制到DPTR,数据必须通过ACC传输)。

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