ARM Cortex Mikrocontroller

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Die Firma ARM stellt selbst keine Prozessoren/Controller her, sondern entwickelt nur sogenannte "IP-Cores", die von Herstellern wie Atmel, NXP, TI und vielen anderen lizenziert werden. Diese Hersteller ergänzen den Core um Speicher und Peripherie. Der Vorteil dieses Modells ist, dass dadurch sehr viele Prozessoren mit unterschiedlichster Ausstattung verfügbar sind, die alle mit dem selben Befehlssatz (und damit dem selben Compiler) programmierbar sind.

In diesem Artikel geht es NUR um die ARM Cortex M Microcontroller, nicht jedoch um ARM Cortex-A Mikroprozessoren.

Allen ARM-Cores gemeinsam ist die 32 Bit RISC-Architektur. Manche ARM-Cores besitzen neben dem 32 Bit ARM-Befehlssatz noch einen zusätzlichen, kleineren 16 Bit-Befehlssatz (Thumb-Modus, erkennbar am T in der Bezeichnung, z. B. ARM7TDMI). Der Vorteil des Thumb-Befehlssatzes ist der geringere Platzbedarf des Codes; der Nachteil ist die etwas niedrigere Geschwindigkeit. Die ARMv7M-Architektur (man beachtet das v), also z. B. Controller mit Cortex-M3-Kern, unterstützen ausschließlich den Thumb2-Befehlssatz.

Seit wenigen Jahren sind ARM-basierte Mikrocontroller erhältlich, die Aufgrund der vergleichbar einfachen Beschaltung und mit einer deutlich größeren Power eine echte Alternative zu 8-Bit-Controllern darstellen.

Eine sehr aktuelle Variante des ARM ist die Cortex-M3 Familie die LPC1xxx, als eine echte Konkurrenz zu 8- und 16-Bit Mikrocontrollern wie dem AVR und MSP430 gedacht ist. Der Cortex-M3 enthält einige Verbesserungen gegenüber dem ARM7TDMI-Kern und ist bereits dabei diesen zu ersetzen. Um den Einstieg zu erleichtern ist für den LPC1xxx bereits eine Code-Base und ein preisgünstiges Entwicklungskit vorhanden. Controllerfamilien dieser Klasse sind:

Als günstigere Variante gibt es dann noch die Cortex-M0 Cores. Diese werden beispielsweise in folgenden Controllern eingesetzt:

Als hoch performante Variante gibt es dann noch die Cortex-M4 Cores welche teilweise mit einer FPU ausgestattet sind. Diese werden beispielsweise in folgenden Controllern eingesetzt:

Eine schon etwas ältere Controller-Familie ist der ARM7TDMI. Core. Controllerfamilien dieser Klasse sind:

Mehr Informationen zur ARM-Architektur finden sich in der Wikipedia, weiterführende Links in der Linksammlung.

Compiler

Einer der beliebtesten Compiler für ARM-Prozessoren ist der GCC. Er kann sowohl ARM- als auch Thumb-Code erzeugen. Ein komplettes Paket mit allen benötigten Tools für Windows ist WinARM (wird derzeit nicht gepflegt), für Linux und Mac OS X gibt es fertige Komplettpakete hier. Alternative Pakete sind GNUARM (Linux, Windows, wird derzeit nicht gepflegt), Yagarto (Windows, mit Eclipse-Integration), CodeSourcery CodeBench Lite (alter Name: Codesourcery G++ lite, für Linux, Windows) und GNU Tools for ARM Embedded Processors (bereitgestellt auf launchpad.net).

Inzwischen schon weiter verbreitet ist auch das kostenlose auf Eclipse basierende Entwicklungspaket von Code-Red oder CooCox IDE

Kommerzielle Entwicklungsumgebungen für ARM-basierte Mikrocontroller sind z. B. Crossworks ARM (GCC-basiert, Windows, Mac OS und Linux), Cosmic Software 64k free (Windows), IAR Embedded Workbench for ARM (Windows) und MDK-ARM von Keil/ARM (Windows).

Für das MBED Board (mbed NXP LPC1768) ist ein kostenloser Onlinecompiler verfügbar (ARM Realview), der sich durch die Bereitstellung von sehr leistungsfähigen Funktionen (API's) auszeichnet. Den praktischen Nutzen für eine professionelle Anwendung mag man zu Recht in Frage stellen. Um mal schnell was zu programmieren ist das Ding unschlagbar, es ist faktisch keine Installation oder Einarbeitung in eine IDE nötig.

JTAG

Alle ARM-basierten Prozessoren verwenden ein einheitliches JTAG-Interface, über das Debugging und Speicherzugriff erfolgen kann. Nicht standardisiert sind allerdings die Verfahren zum Beschreiben des Flash-ROMs, deshalb muss man beachten ob die verwendete JTAG-Software Programmierroutinen für den jeweiligen Controller besitzt.

Ein einfacher JTAG-Adapter für den Parallelport ist der "Wiggler"-kompatible, den man selbst bauen kann oder z. B. im Embedded Projects Shop für € 10,00 bestellen kann. Als Software lässt sich unter Windows und Linux OpenOCD (zusammen mit GDB) oder Crossworks ARM verwenden.

Für USB gibt es hier einen ebenfalls OpenOCD-kompatiblen JTAG-Adapter zum Preis von ca 45€.

Von NXP sind sehr preiswerte Entwicklungskits (ca. 25€ für Evaluation-Board incl. USB-JTAG Programmer und Debugger) erhältlich z.B. Watterott. Siehe dazu auch die Dokumentation von NXP zu den LPCXpresso-Entwicklungskits (PDF), oder diese Beschreibung.

Der J-Link-"Emulator" von Segger wird von vielen Softwarepaketen unterstützt und ist für den nicht-kommerziellen Einsatz zu günstigen Konditionen erhältlich.

Als Alternative zum Beschreiben des Flash über JTAG ist oft ein serieller Bootloader im Controller enthalten.

CMSIS - ARM Cortex Software Libaries

CMSIS - Cortex Microcontroller Software Interface Standard

Der ARM Cortex Microcontroller Software Interface Standard (CMSIS) ist ein herstellerunabhängiger Hardware Abstraction Layer für die Cortex-M-Prozessor -Serie. Die CMSIS ermöglicht konsistente und einfache Software-Schnittstellen für den Prozessor und die Peripherie, und vereinfacht damit die Software-Wiederverwendung.

Die CMSIS besteht aus folgenden Komponenten:

  • CMSIS-CORE: Bietet eine Schnittstelle zum Cortex-M0, Cortex-M3, Cortex-M4, SC000 und SC300-Prozessoren und Peripherie-Register
  • CMSIS-DSP: DSP-Bibliothek mit über 60 Funktionen in Festkomma-(fractional q7, q15, q31) und single precision floating-point (32-bit)-Implementierung
  • CMSIS-RTOS API: Standardisierte Programmierschnittstelle für Echtzeit-Betriebssysteme für Thread-Steuerung, Ressourcen-und Zeitmanagement
  • CMSIS-SVD: System View Beschreibung - XML-Dateien, die die Programmiereransicht des kompletten Mikrocontroller-Systems einschließlich Peripheriegeräte enthalten

Der Standard ist für Cortex-M-Mikrocontroller skalierbar: Von der kleinsten 4 KB MCU bis zu MCUs mit anspruchsvoller Kommunikations-Peripherie wie Ethernet oder USB. Der Speicherbedarf für die Core Peripheral Funktionen bedarf weniger als 1 KB-Code und weniger als 10 Bytes RAM.

Beispiele:

Mehr Informationen unter:

Freie Software

ARM/XSCALE/CORTEX Instruction Set Simulator

Die Firma Lauterbach bietet unter der Artikelnummer LA-8809 einen Instruction Set Simulator für ARM Cores an. Die Demoversion ist zur Evaluierung kostenlos. Einschränkungen bestehen in der Anzahl der zu ladenen Debugsymbole. Der Simulator unterstützt alle gängigen ARM Derivate und lädt alle üblichen Debugformate, wie die des RealView, IAR und TI Compilers, oder der freien GCC Tools.

Zum Simulator gibt es entsprechende zugehörige Debugtools, die allerdings käuflich zu erwerben sind.

Weblinks: [Download area mit ARM/XSCALE/CORTEX Simulator]


Siehe auch

Weblinks

Literatur

  • ARM Systems Developer's Guide (2004) ISBN 1558608745 Im Buch blättern Programmbeispiele aus dem Buch, u.a. FFT, FIR/IIR-Filter, Division, Wurzel
  • ARM Assembly Language - an Introduction (2007) ISBN 1847536964 Im Buch blättern Verlagsseite "Book on demand"
  • ARM Rechnerarchitekturen für System-on-Chip-Design (2002) ISBN 3826608542
  • Co-Verification of Hardware and Software for Arm Soc Design (2004) ISBN 0750677309
  • ARM System-on-Chip Architecture (2000) ISBN 0201675196 Im Buch blättern
  • ARM Architecture Reference Manual ISBN 0201737191 Im Buch blättern
  • Messen, Steuern und Regeln mit ARM-Mikrocontrollern ISBN 3772340172 im Buch blättern
  • Programming Arm Microcontrollers: Using C and the Lpc2100 Family (2005? /ab 1. Dezember 2008) ISBN 0321263359
  • Arm Assembly: Fundamentals and Techniques (ab 1. März 2009) ISBN 1439806101
  • Reliable Embedded Systems: Using 8051 and ARM Microcontrollers (2007) ISBN 0321252918 600 Seiten mit CD Inhaltsverzeichnis
  • C und C++ für Embedded Systems (u.a. ARM Cortex-M3) mitp-Verlag 2008 ISBN 382665949X

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