無所不在的MCU，ARM行不行？

談完了ARM處理器在各種高階行動應用中所扮演的角色，我們稍微改變一下口味，回頭來講講MCU（微控制器，參考原來這些地方都有ARM）。由於MCU追求的是五臟俱全、短小精悍，而且要吃的少跑得久，因此在小小一顆封裝中就具備了完整的處理器、記憶體、週邊I/O等功能。

由於這樣的架構概念，使得MCU發展初期被人稱為單晶片處理器，也就是同樣的電路系統，過去要靠多顆晶片搭配組裝才能實現的產品，使用MCU的話，一顆就可以打死了。從歷史上來看，最具代表性的MCU產品，莫過於Intel推出，並由許多IC設計公司所發揚光大的8051架構，它可以說是無孔不入的進入了我們的日常生活，食衣住行育樂都來參一咖，儼然成為工業標準。

▲MCU在各種家用電器中都佔有相當重要的主控地位。（圖片來源：made-in-china.com）

頑強的一哥Intel 8051

無所不在的處理器，對廠商來說，等於是無可限量的商機。因此，許多處理器應用架構都想要取代8051當市場一哥。不過8051太頑強了，因為Intel完全把它所有的相關智財開放，業界可以任意使用其架構發揮創意，許多IC設計廠商透過巧思，在8051這塊原料裡加上了許多不同的配料，針對不同的市場饕客，設計出許多不同口味的菜餚，滿足不同應用類型與每個人挑剔的胃口。

受限於當初設計的時空背景，8051是一顆純粹的8位元MCU，不僅它的內部指令處理能力如此，外部的記憶體定址能力也是8位元。另外它的運作時脈也僅有12MHz，但是後來的數位產品功能越來越複雜，IC設計廠商也極盡所能想從8051原始架構壓榨出最大效能，一方面也要維持其軟硬體架構相容性。

▲8051算是目前應用最廣泛的MCU，未來十年內也沒有人能取代。（圖片來源：CPU-World）

誰來取代不老妖姬

因此，各種高頻率、高效能的8051產品紛紛誕生，比如說原始8051僅有12MHz，但修改版時脈最高可超過100MHz，不少廠商修改了內部時脈的運作規則，產生許多效能更變態的版本。另外原始8051可定址的記憶體容量有限，廠商也推出能定址到16位元記憶體的版本，讓系統吃個飽飽。

但不管再怎麼修改，8051還是8051，為了相容性，許多歷史包袱仍然丟不掉，就技術上來說，砍掉重練推出一款超級8051是有可能的，如此時脈可以上看數百MHz，甚至內部資料與外部連接寬度都可以搞到32或64位元，但這麼一來也就失去8051的相容性優勢，倒不如重新開發一款全新的MCU產品。

雖然是老驥伏櫪，但畢竟8051的基本架構已經是上個世紀的構想，無法滿足現代數位產品對功能、效能的需求，ARM便想趁虛而入，如果能一舉拿下MCU的市場，便可進一步拓展市場佔有率。

ARM7TDMI vs. Cortex-M3三大比一比

ARM家族中也有低功耗的處理器核心產品，比如說ARM7TDMI，至今仍是許多手錶、時鐘、遙控器甚至是家電或電子玩具產品的最愛，但為何ARM選擇推出全新的架構，而不是像Intel一樣搬出舊產品，把ARM7甚至是ARM9換個新製程、換行銷包裝就直接推上市場？我們就以Cortex-M3這個最近很熱門的32位元MCU核心來觀察吧。

▲著名的NDS遊樂器中，就採用了一顆ARM7TDMI（另一顆為ARM9）。（圖片來源：PCgames）

1. 運算流程不同

首先，ARM7TDMI與Cortex-M3的指令集體系完全不同，前者為了節省晶片空間，將指令和資料管線合在一起，同一時間只能執行一種指令。而Cortex-M3則是將指令與資料操作分開，這也更符合現代處理器的設計思維。

這和它們的誕生背景有關，當ARM7TDMI發表時，市面上的製程技術並不如現在這麼先進，所以折衷犧牲了一點效能，換取較大的晶片使用效率。另一個影響效能的因素，就是Cortex-M3支援分支預測功能，ARM7TDMI則完全不具備。

2. 運算能力不同

其次，Cortex-M3的核心包含可同時相容舊的Thumb和新的Thumb-2指令集的編譯器、一個支援硬體乘法和硬體除法的ALU，以及用來控制邏輯和連接處理器其他元件的介面。它是一顆32位元處理器，帶有32位元寬度的資料路徑、暫存器和記憶體介面。

而傳統ARM7處理器的系統只能存取對齊的資料，只有沿著對齊的位元邊界才可以讀取和儲存資料。Cortex-M3處理器除了支援單週期32位元乘法操作之外，還支援帶符號的和不帶符號的除法操作，這些操作使用SDIV和UDIV指令，根據操作數大小的不同可在2到12個週期內完成。如果被除數和除數大小接近，除法操作還能算得更快。憑藉這些運算能力上的改進，Cortex-M3成為需要高度數值運算能力的應用首選，像是感測器資料的讀取與分析等等。

3. 支援指令集不同

另外，不同於ARM7TDMI，Cortex-M3不支援標準ARM指令集，而是只能支援Thumb-2指令集。在低階MCUI應用上，指令集的切換會降低性能，多餘的指令集對晶片本身也只是浪費。過去ARM7TDMI之所以同時支援ARM與Thumb指令集，是因為當初Thumb指令集限制頗多，且僅是把部分32位元ARM指令集抽出，重新以16位元編碼，大部分的功能還要借助原始ARM指令集執行。所以當ARM7TDMI處理比較複雜的應用時，就會在ARM與Thumb指令集之間頻繁的切換。

但是到了Thumb-2，大部分Thumb指令集的缺陷都已經修正，不只可以應付特殊狀況，也也不再需要另行減肥，而是自成體系的完整系統指令。Thumb-2指令集整合了部分Thumb 16位元指令，並且新增許多原生的32位元Thumb指令，新版的Thumb-2指令可以達成完整版ARM指令集的所有功能，因此可以兼顧功能性與同步提升程式碼的密度和性能。

Cortex-M4再接再厲

基本上，Cortex-M3可以說是針對MCU重新打造的32位元架構，不僅硬體針對比起8051和自家的ARM7TDMI，不僅硬體大幅改造，在開發環境方面，也考慮到了8051的軟體轉移。由於ARM的野心是要先從高階MCU應用著手，8051的軟體資源轉移其實只是做個樣子，要用OK，但是成本你自己先考慮清楚，畢竟Cortex-M3維持了ARM家族一貫的傳統，在MCU產品裡是相對高價的選擇。

由於Cortex-M3的應用導入非常火熱，絕大多數IC設計廠商也都加入推出相關的架構設計，ARM也再接再厲推出了全新的Cortex-M4體系。它瞄準高效能數位訊號處理市場，內建單一週期MAC單元、最佳化的單一指令多重資料（SIMD）單元、飽和算術指令（saturating arithmetic instructions）及選配的單精度浮點協處理器單元（single precision FPU），準備把市場拉到更高階的數位訊號處理應用。不過，其實Cortex-M3也具備連接外部運算加速單元的能力，Cortex-M4的推出其實有點肥水不落外人田的意味。