將8051應用程序遷移到ARM Cortex-M處理器上

Cortex-M處理器系列包括廣泛使用的Cortex-M3處理器、針對FPGA的Cortex-M1處理器、2009年初推出的Cortex-M0處理器(最小的 ARM 處理器)和2010年初推出的 C o r tex-M4處理器(支持浮點和數(shù)字信號處理增強指令)。這些處理器具有先進的功能特點和簡單易用的編程模型，對于想從8051微控制器遷移到ARM架構(gòu)的開發(fā)人員來說，極具吸引力。本文是一篇入門指南，目的是幫助8051微控制器的開發(fā)人員了解8051和A R M Cor tex-M處理器系列在架構(gòu)、軟件和硬件設計上的主要差異，從而加快遷移過程。

架構(gòu)概述

對于一些嵌入式程序員(尤其是那些習慣使用匯編語言編程的程序員)，首先要做的事情就是了解編程模型。

寄存器

ARM Cortex-M處理器具有一個32位寄存器庫和一個xPSR(組合程序狀態(tài)寄存器)。而8051具有ACC(累加器)、B、DPTR(數(shù)據(jù)指針)、P SW(處理器狀態(tài)字)和四個各含八個寄存器的寄存器庫 (R0-R7)。

在8051中，一些指令會頻繁使用某些寄存器，如ACC和 DPTR。

這種相關(guān)性會極大降低系統(tǒng)的性能，而在ARM處理器中，指令可使用不同的寄存器來進行數(shù)據(jù)處理、內(nèi)存存取和用作內(nèi)存指針，因此不會有這個問題。

從根本上說，ARM 架構(gòu)是一個基于加載(Load)和存儲(STore)的RI S C架構(gòu)，處理器寄存器加載數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳給A LU進行單周期執(zhí)行。而8051寄存器(ACC、B、PSW、SP和DPTR)可在SFR(特殊功能寄存器)的內(nèi)存空間中訪問。

為了確保普通的C函數(shù)能夠用作中斷處理程序，在需要處理中斷時，C o r t e x- M的寄存器(R 0 - R 3、R12、L R、P C和xPSR)會被自動壓入堆棧，而軟件僅需在必要時將其他寄存器壓入堆棧。雖然8051具有4個寄存器庫，但是ACC、B、D P T R和PSW寄存器并不會自動壓棧，因此通常需要通過中斷處理程序?qū)@些寄存器進行軟件壓棧。

寄存器

ARM處理器具有32位尋址，可實現(xiàn)一個4GB的線性內(nèi)存空間。該內(nèi)存空間在結(jié)構(gòu)上分成多個區(qū)。每個區(qū)都有各自的推薦用法(雖然并不是固定的)。統(tǒng)一內(nèi)存架構(gòu)不僅增加了內(nèi)存使用的靈活性，而且降低了不同內(nèi)存空間使用不同數(shù)據(jù)類型的復雜性。

相反地，8051微控制器具有多個內(nèi)存空間。內(nèi)存空間的分割使得有效地利用全部內(nèi)存空間變得困難，而且需要借助C語言擴展來處理不同的內(nèi)存類型。

8 0 51在外部R A M內(nèi)存空間上最高支持* K B的程序內(nèi)存和64K B的數(shù)據(jù)內(nèi)存。理論上，可以利用內(nèi)存分頁來擴展程序內(nèi)存大小。不過，內(nèi)存分頁解決方案并未標準化，換句話說，不同8051供應商的內(nèi)存分頁的實現(xiàn)并不相同。這不僅會增加軟件開發(fā)的復雜性，而且由于處理頁面切換所需的軟件開銷，還會顯著降低軟件性能。

在AR M C or tex-M3或M4上，S R A M區(qū)和外設區(qū)都提供了一個1MB的位段區(qū)(bit band regiON)。此位段區(qū)允許通過別名地址訪問其內(nèi)部的每個位。由于位段別名地址只需通過普通的內(nèi)存存取指令即可訪問，因此C語言完全可以支持，不需要任何特殊指令。而8051提供了少量的位尋址內(nèi)存(內(nèi)部R A M上16字節(jié)和S F R空間上16字節(jié))。處理這些位數(shù)據(jù)需要特殊指令，而要支持此功能，C編譯器中需要C語言擴展。

A R M C o r t ex-M處理器的內(nèi)存映射包含多個內(nèi)置外設塊。例如，ARM Cortex-M處理器的一個特性是具有一個嵌套矢量中斷控制器 (NVIC) 。此外，系統(tǒng)區(qū)中內(nèi)存映射有數(shù)個指定控制寄存器和調(diào)試組件，以確保優(yōu)異的中斷處理并極大方便開發(fā)人員使用。

堆棧內(nèi)存

堆棧內(nèi)存操作是內(nèi)存架構(gòu)的重要組成部分。在8051中，堆棧指針只有8位，同時堆棧位于內(nèi)部的內(nèi)存空間(上限為256個字節(jié)，并由工作寄存器(四個各由R0至R7構(gòu)成的寄存器庫)和內(nèi)部數(shù)據(jù)變量共享)。堆棧操作基于空遞增模型。

與8051不同的是，A RM Cor tex-M處理器使用系統(tǒng)內(nèi)存作為堆棧，采用滿遞減模型。

滿遞減堆棧內(nèi)存模型更受C語言的支持。例如，微控制器中的SRAM的使用可組織為：

使用動態(tài)分配內(nèi)存空間的C庫和應用程序通常需要堆內(nèi)存。

盡管C o r tex-M處理器的每次壓棧需要32位的堆棧內(nèi)存，總的R A M使用仍然要比8051小。8051的變量通常是靜態(tài)地放在IDATA上，而ARM處理的局部變量是放在堆棧內(nèi)存上的，因此，只有當函數(shù)執(zhí)行的時候，局部變量才會占用RAM空間。

此外，ARM Cortex-M 處理器提供有第二個堆棧指針，以允許操作系統(tǒng)內(nèi)核和進程堆棧使用不同的堆棧內(nèi)存。這使得操作更可靠，也使操作系統(tǒng)設計更高效。(堆棧指針切換是自動處理的)8051中的很多外設是通過特殊功能寄存器 (S F R) 來控制的。由于S F R空間只有128個字節(jié)，而且其中一些已經(jīng)為處理器寄存器和標準外設所占用，剩余的S F R地址空間通常非常有限，因此也就限制了可通過S F R控制的外設數(shù)量。雖然可以通過外部內(nèi)存空間來控制外設，但是與S F R存取相比，外部存取通常需要更多的開銷(需要將地址復制到DPTR，數(shù)據(jù)必須通過ACC傳輸)。