Cortex-M4プロセッサ

ARM Cortex-M4の仕様

Cortex-M4の信号処理テクノロジ

Cortex-M4プロセッサは、デジタル信号処理市場に役立つ非常に効率的な信号処理機能を豊富に備えています。たとえば、拡張シングル サイクル積和演算（MAC）命令、最適化したSIMD算術演算、飽和算術演算命令、オプションの単精度浮動小数点ユニット（FPU）などがあります。 これらは、ARM Cortex-Mシリーズ プロセッサを特徴づける革新的なテクノロジを発展させたものです。

ARM Cortex-Mマイクロコントローラ テクノロジ

Cortex-Mシリーズ プロセッサは、それぞれ固有の利点を備えていますが、どれもARMのテクノロジを基盤としており、幅広いエンベデッド アプリケーションに最適なプロセッサとなっています。

CMSIS

ARM Cortexマイクロコントローラ ソフトウェア インタフェース規格（CMSIS）は、Cortex-Mプロセッサ シリーズ向けのベンダに依存しないハードウェア抽象化レイヤです。 CMSISにより、インタフェース ペリフェラル、リアルタイム オペレーティング システム、およびミドルウェアに対して、プロセッサとの間に一貫したシンプルなソフトウェア インタフェースを実現でき、ソフトウェアの再利用が簡素化されます。CMSISがあれば、新しいマイクロコントローラ開発者の学習が容易になり、新製品の製品化期間が短縮されます。

詳細： ネスト型ベクタ割り込みコントローラ（NVIC）

NVICは、Cortex-Mプロセッサの重要な一部として、プロセッサの卓越した割り込み処理機能を提供します。

Cortex-Mプロセッサでは、各割り込みハンドラで実行する関数のアドレスを含むベクタ テーブルを使用します。 プロセッサは、割り込みを許可すると、このベクタ テーブルからアドレスをフェッチします。

ゲート数を減らし、システムの柔軟性を高めるため、Cortex-Mプロセッサでは、スタック ベースの例外モデルを使用します。例外が発生すると、クリティカルな汎用レジスタがスタックにプッシュされます。 スタック処理と命令フェッチが終了すると、割り込みサービス ルーチンまたはフォールト ハンドラが実行され、レジスタが自動的に復元されて、割り込まれたプログラムが通常実行を再開できるようになります。 この方法により、従来のCベースの割り込みサービス ルーチンでスタック操作に必要だったアセンブラ ラッパの記述が不要となり、アプリケーション開発が大幅に容易になります。NVICでは、割り込みのネスト（スタック処理）をサポートしているため、高い優先度を与えることで割り込みを早期に処理できます。

ハードウェアにおける完全な割り込み応答

Cortex-Mシリーズ プロセッサの割り込み応答は、割り込み信号から割り込みサービス ルーチンの実行までのサイクル数です。 これには、次の動作が含まれます。

• 割り込みの検出
• Back-To-Backまたは後着割り込みの最適な処理（下記参照）
• ベクタ アドレスのフェッチ
• 破壊可能レジスタのスタック処理
• 割り込みハンドラへの分岐

これらはハードウェアで実行されるタスクであり、Cortex-Mプロセッサの仕様に記載されている割り込み応答サイクル数に含まれます。 他の多くのアーキテクチャでは、これらのタスクをソフトウェアの割り込みハンドラで実行する必要があるため、レイテンシと複雑性が増加します。

NVICのテール チェイン

バック ツー バック割り込みの場合、従来のシステムでは状態の保存と復元のサイクルを2回繰り返すため、レイテンシが長くなります。 Cortex-Mプロセッサでは、NVICハードウェア内にテール チェイン技術を実装することにより、アクティブな割り込みと保留中の割り込み間の移動を簡略化しています。プロセッサ状態は、ソフトウェア実装の場合より少ないサイクル数で割り込みの開始時にハードウェアに自動的に保存され、割り込み終了時に復元されます。 これにより、低MHzのシステムの性能が大幅に向上します。 

優先度の高い割り込みの後着に対するNVICの反応

前の割り込みのスタック プッシュ実行中に優先度の高い割り込みの後着が生じた場合、NVICはただちに新しいベクタ アドレスをフェッチし、上記のように保留中の割り込みを処理します。 Cortex-MのNVICは、後着と横取りのサポートにより、このような場合にも確定的な応答を提供します。

NVICによるスタック ポップの横取り

同様に、例外が発生した場合もNVICはスタック ポップを放棄し、上記のように、ただちに新しい割り込みを処理します。 横取りを行い、状態の復元と保存を終了せずに2番目の割り込みに切り替えることにより、NVICは確実に低いレイテンシを実現します。

システムIP

システムIPコンポーネントは、複雑なSoC（System on Chip）を構築するうえで極めて重要なコンポーネントです。開発者は、システムIPコンポーネントを利用して、開発および検証サイクルの大幅な短縮、コストの削減、製品化までの時間の短縮を実現できます。

ツールのサポート

すべてのARMプロセッサは、ARM Development Studio 5（DS-5）™ツール スイートのほか、幅広いサードパーティ製ツール、オペレーティング システム、EDAベンダによってサポートされています。 ARM DS-5ソフトウェア開発ツールは、完全なARM技術ポートフォリオを最大限に活用する他に例のないソリューションです。

マイクロコントローラ開発ツールの詳細については、 KeilのWebサイトを参照してください。

リソース

このセクションでは、ARM Cortex-Mプロセッサおよび関連テクノロジに関する有用なドキュメント、ホワイト ペーパー、およびチュートリアルを紹介します。

開発ツール、ソフトウェア、ボードおよびデバイス データベース、CMSISおよびmBedの詳細については、ARMエンベデッド マイクロサイトを参照してください。

［ブック］（Books）

Definitive Guide to the ARM Cortex-M0 画期的なARM Cortex-M0プロセッサのプログラミングと実装のための総合ガイド

Definitive Guide to the ARM Cortex-M3 画期的なARM Cortex-M3プロセッサのプログラミングと実装のための総合ガイド

 

Cortex-Mデバイス ユーザ向けのドキュメント

• Cortex-M1 FPGA開発キット チュートリアル
• ARM7からCortex-M3への移行（256 KB ）

Cortex-Mデバイス ユーザ向けのソフトウェア開発ツール

• Keil
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• サードパーティ製ツールおよびRTOSサポート

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関連ユーザ ガイドとアプリケーション ノート

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  • 『ARMv7-M アーキテクチャリファレンスマニュアル』
  • 『ARMv6-M アーキテクチャリファレンスマニュアル』
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  • AN234 - PICマイクロコントローラからCortex-M3への移行
  • AN179 - Cortex™-M3エンベデッド ソフトウェアの開発
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  • 193: RVDSからMDK-ARMへの移行
  • 197: STM32デバイスでのシリアルワイヤのデバッグとリアルタイム トレース
  • 202: MDK-ARMコンパイラの最適化
  • 208: Keil uVisionおよびActel SmartFusion
  • 209: Cortex-M3およびCortex-M4のフォールト例外の使用
  • 220: Freescale Kinetisデバイスでのメモリ コンフィギュレーション
  • 221: RTXでのCMSIS-DSPアルゴリズムの使用

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