Владимир Филиппович Козаченко , Алексей Сергеевич Анучин , Дмитрий Иванович Алямкин , Александр Александрович Жарков , Максим Михайлович Лашкевич , Дмитрий Игоревич Савкин , Дмитрий Михайлович Шпак - Практический курс микропроцессорной техники на базе процессорных ядер ARM-Cortex-M3/M4/M4F

(встроенные впервые в планшет Apple iPod),
кардинально изменили ситуацию на рынке мобильных устройств, сделав их доступными
миллионам людей по всему миру.
На базе ARM7 и было разработано семейство процессорных ядер Cortex-M.
Начиная с 2010 г. поставки микроконтроллеров этого семейства резко возрастают.
Ожидается, что эта тенденция будет господствовать в текущем десятилетии, и к его концу
традиционные 8- и 16-разрядные микроконтроллеры практически не будут использоваться
в новых разработках. Не последняя роль при этим отводится языкам высокого уровня

4

ПРЕДИСЛОВИЕ
С/C++, трансляторы с которых стали совершенными и доступными большинству
разработчиков, что существенно ускорило процесс от начала разработки до выхода
конечных изделий на рынок.
Если раньше использовались в основном однопроцессорные решения, то сейчас
ситуация изменилась. Оказалось, что интеграция на кристалл сразу нескольких
процессоров (от 2 до 8), возможно с разной архитектурой и встроенной периферией,
позволяет предельно эффективно решать весь комплекс задач. Каждый процессор делает
то, для чего оптимизирована его архитектура и система команд. Это направление
особенно бурно развивается для использования в смартфонах, которые стали
многофункциональными портативными компьютерами, в том числе для решения задач
реального управления (например, оборудованием «умного» дома).
Мультипроцессорные системы получили название «Системы на кристалле» Systemon-Chip (SoC) и могут содержать не только центральный процессор и сопроцессор
поддержки вычислений с плавающей точкой, но и большое число системных
периферийных устройств. Так, процессор фирмы Texas Instruments OMAP5 имеет на
борту двухядерный процессор Cortex-A15 и два микроконтроллера Cortex-M4. При
разработке программного обеспечения для таких сложных систем большое значение
имеет унификация языков программирования отдельных процессоров, что может быть
реализовано только в изделиях одного производителя.

Нужно ли современному инженеру знание архитектуры
процессора, его системы команд, языка Ассемблер?
Резкое увеличение сложности процессорной техники ставит перед инженерами
вопрос: «А нужно ли вообще изучать архитектуру и систему команд конкретного
процессора, учиться программированию на Ассемблере? Может быть достаточно знать
только язык высокого уровня СИ, чтобы эффективно работать?». Мы считаем, что
актуальность знания основ процессорной техники только возрастает:
1. Не зная архитектуры и внутреннего устройства микроконтроллера невозможно создать
на его основе микропроцессорный контроллер, встраиваемый в конкретное изделие, в
котором будут эффективно использованы как возможности ядра процессора, так и
встроенной в него периферии.
2. Пользуясь языком высокого уровня, Вы работаете с процессором как с «черным
ящиком», который должен уметь делать все, что Вы для него запрограммировали.
Однако, далеко не факт, что используемый в конкретном трансляторе режим работы
процессора оптимален для Вашего приложения (например, используемый режим
округления при работе с числами с плавающей точкой). Вы можете получить
неожиданный результат и даже не понять в чем ошибка.
3. Система команд ARM-процессоров столь совершенна, что часто одной команды на
Ассемблере достаточно для решения задачи, для которой на языке высокого уровня
потребуется специализированная библиотека. Например, преобразование числа в
формате с фиксированной точкой в число с плавающей точкой или обратно.
4. Работа с портами ввода/вывода и периферийными устройствами, встроенными на
кристалл микроконтроллера, порой более эффективна на Ассемблере, чем на языке
высокого уровня, особенно если для этого используется по-битово адресуемая память.
Часто разработчики даже не подозревают, что используемый ими микроконтроллер
имеет на борту «битовый сопроцессор», позволяющий предельно эффективно
реализовывать логические контроллеры и дискретные управляющие автоматы.
5. Окончательная оптимизация микропроцессорной системы по быстродействию, объему
используемой памяти и энергопотреблению возможна только на нижнем уровне. В
5

ПРЕДИСЛОВИЕ
этом случае программа на языке С/С++ подвергается анализу с точки зрения наиболее
узких мест и эти места оптимизируются с использованием макросов или подпрограмм,
написанных на --">