Общая характеристика Cortex-МЗ

Семейство ARM Cortex — это новое поколение процессоров, которые выполнены по стандартной архитектуре и отвечают различным технологическим требованиям. В отличие от других микропроцессоров ARM, семейство Cortex является завершенным изделием, которое объединяет стандартное микропроцессорное ядро и системную архитектуру. Микроконтроллеры STM32 выполнены на основе ядра Cortex-МЗ, которое специально разработано для применений, где необходимы развитые системные ресурсы и при этом малое энергопотребление. Они характеризуются настолько низкой стоимостью, что могут конкурировать с традиционными 8- и 16-битными микроконтроллерами. Cortex-МЗ является стандартизованным микроконтроллерным ядром, которое помимо 32-битного микропроцессорного ядра содержит систему прерываний, системный таймер SysTick, отладочную систему и предопределенную организацию памяти. Адресное пространство Cortex-МЗ объемом 4 Гб разделено на четко распределенные области кода программы, статического ОЗУ, устройств ввода-вывода и системных ресурсов. В отличие от ядра ARM7, CortexМЗ выполнен по гарвардской архитектуре и поэтому имеет несколько шин, позволяющих выполнять операции параллельно. Семейство Cortex имеет возможность оперировать с фрагментированными данными (unaligned data), что также отличает его от предшествующих архитектур ARM. Этим гарантируется максимальная эффективность использования внутреннего статического ОЗУ. Семейство Cortex также поддерживает возможности установки и сброса бит в пределах двух областей памяти размером 1 Мб по методу bit banding.

Еще одним ключевым компонентом ядра Cortex-МЗ является контроллер векторизованных вложенных прерываний NVIC (англ. Nested Vector Interrupt Controller). Контроллер NVIC предоставляет стандартную структуру прерываний для всех СоПех-микроконтроллеров и способы их обработки.

Несмотря на то, что ядро Cortex-МЗ разрабатывалось как недорогое ядро, оно остается 32-битным микропроцессорным ядром и, в связи с этим, поддерживает два режима работы: потоковый режим (Thread) и режим обработчика (Handler), для каждого из которых можно сконфигурировать свои собственные стеки. Благодаря этому появляется возможность разработки более интеллектуального программного обеспечения и поддержки операционных систем реального времени (ОСРВ). В ядро Cortex также входит 24-битный автоматически перезагружаемый таймер, предназначенный для генерации периодических прерываний и используемый ядром ОСРВ. Если у микропроцессоров ARM7hARM9 имеется два набора инструкций (32-битный ARM и 16-битный Thumb), то у семейства Cortex предусмотрена поддержка набора инструкций ARM Thumb-2. Этот набор представляет собой смесь 16- и 32-битных инструкций, которые позволяют добиться производительности 32-битного набора инструкций ARM и плотности кода, свойственной 16-битному набору инструкций Thumb. Thumb-2 — обширный набор инструкций, ориентированный на компиляторы языков C/C++. Это означает, что программа для Cortex-микроконтроллера может быть полностью написана на языке программирования C/C++.

Семейство STM32 состоит из двух групп. Группа Performance Line работает на тактовых частотах до 72 МГц и оснащена полным набором устройств ввода-вывода (УВВ, англ. I/O), а группа Access Line работает на частотах до 36 МГц и интегрирует ограниченный набор устройств ввода-вывода.

Встроенные УВВ (два аналого-цифровых преобразователя АЦП, таймеры общего назначения, последовательные интерфейсы I2C, SPI, CAN, USB и часы реального времени RTC) гораздо сложнее аналогичных устройств для простых микроконтроллеров. Например, 12-битный АЦП оборудован датчиком температуры и поддерживает несколько режимов преобразования, а микроконтроллеры с двумя АЦП могут использовать их совместно еще в девяти режимах преобразования. По аналогии с этим каждый из четырех таймеров, оснащенных блоками захвата и сравнения, может использоваться как отдельно, так и совместно, образую более сложные счетные массивы таймеров. У расширенного таймера (advanced timer) добавлена поддержка управления электродвигателями. Для этого у него предусмотрено 6 комплементарных выходов от широтно-импульсных модуляторов (ШИМ) с программируемой паузой неперекрытия и вход экстренного останова, который переводит ШИМ-выходы в предварительно запрограммированное безопасное состояние. У интерфейса SPI предусмотрен аппаратный генератор контрольных сумм (CRC) для 8 и 16 слов, что упрощает реализацию интерфейса карт флэш-памяти SD и ММС.

В отличие от простых микроконтроллеров, у STM32 также предусмотрен многоканальный блок прямого доступа к памяти (ПДП). Каждый канал может использоваться для передачи данных между регистрами любого из УВВ и запоминающими устройствами 8/16 или 32-битными словами. Каждое из УВВ может выполнять роль потокового контроллера ПДП, при необходимости отправляя данные или посылая запрос на их получение. Арбитр внутренней шипы и матрица шин минимизируют потребность в арбитраже доступа к шинам со стороны микропроцессорного ядра и каналов ПДП. Это означает, что блок ПДП является универсальным, простым в применении и реально автоматизирует передачу потоков данных внутри микроконтроллера.

Микроконтроллеры STM32 отличаются сочетанием характеристик малого энергопотребления и высокой производительности. Они способны работать от источника питания 2 В на тактовой частоте 72 МГц и потреблять при этом ток, с учетом нахождения в активном состоянии всех встроенных ресурсов, всего лишь 36 мА. Если же использовать поддерживаемые ядром Cortex экономичные режимы работы, то потребляемый ток можно снизить до 2мкА в режиме STANDBY. Для быстроты возобновления активной работы микроконтроллера используется внутренний RC-генератор на частоту 8 МГц. Его активность сохраняется на время запуска внешнего генератора. Благодаря быстроте перехода в экономичный режим работы и выхода из них результирующая средняя потребляемая мощность электропитания еще больше снижается.

В STM32 интегрирован ряд аппаратных блоков, отвечающих за безопасность работы микроконтроллера, в т. ч. маломощный супервизор питания, система защиты синхронизации и два отдельных сторожевых таймера. Первый сторожевой таймер относится к оконному типу (windowed watchdog, WWDT). Его необходимо обновлять только в пределах отведенных временных рамок. Если эго сделать слишком рано или слишком поздно, то он сгенерирует сигнал срабатывания. Другой сторожевой таймер полностью независим от первого. Он синхронизируется от отдельного внутреннего генератора, который не связан с главной системной синхронизацией. У микроконтроллера также используется система защиты синхронизации, которая может выявлять перебои в работе основного внешнего генератора и безопасно переключаться на работу от внутреннего RC-генератора частотой 8 МГц.

Флэш-память STM32 оснащена программируемой блокировкой чтения через отладочный порт. После активизации этой блокировки будет также невозможно записать что-либо во флэш-память, что исключает возможность внесения изменений в таблицу векторов прерываний. В остальной части флэш-памяти может быть активирована блокировка записи. У микроконтроллера STM32 также имеются часы реального времени и небольшая область энергонезависимого статического ОЗУ, которые питаются от отдельного резервного батарейного источника электропитания. В этой обласги имеется вход реагирования на внешнее вмешательство. При изменении состояния на данном входе генерируется прерывание и обнуляется содержимое энергонезависимого статического ОЗУ.

Иногда фирма ARM ссылается на свои процессоры по наименованию версии архитектуры. В этих обозначениях версия архитектуры процессора Cortex-МЗ определяется как ARMV7M. Иными словами, процессор Cortex-МЗ выполнен по архитектуре ARMV7M и поддерживает исполнение инструкций Thumb-2.