Neuer ARM-Controller MCU + DSP: Der Cortex-M4

ARM hat die Funktionen eines Mikrocontrollers und eines DSPs auf einer CPU integriert. Herausgekommen ist der Cortex-M4.

Wesentlicher Unterschied des Cortex-M4 zum Cortex-M3 ist die Implementierung von DSP-Funktionen in die CPU. Zu diesen DSP-Funktionen gehört eine Single Cycle MAC (Multiply-Accumulate-Einheit) für 16- und 32-bit-Daten. Außerdem gibt es eine SMID (Single-Instruction-Multiple-Data-Einheit) für 8 und 16 bit, so dass ein Befehl auf mehrere Datensätze angewandt werden kann. Optional zu dieser Standardkonfiguration gibt es eine 32-bit-Gleitkomma-Einheit (FPU). Ingesamt gibt es 80 DSP- und SIMD-Befehle.

Diese Standardkonfiguration umfasst 65.000 Gatter, bei der optionalen FPU kommen noch einmal 25.000 Gatter dazu. Dabei wird deutlich, dass der Zusatz von DSP-Funktionen auch Platz benötigt. Der Cortex-M3 umfasst in seiner Standardkonfiguration etwa 33.000 Gatter.

Die Architektur des M4 ist eine neue Version der ARMv7M-Architektur, mit der auch der Cortex-M3 arbeitet. Er hat den Zusatz E, also ARMv7ME, bekommen, wobei das »E« für DSP-Funktionen steht. Als Befehlssatz dient wie auch beim M3 der Thumb-2-Befehlssatz. Auch die dreistufige Pipeline ist erhalten geblieben.

Für die Leistungsaufnahme des Cortex-M4 gibt ARM 40 µW/MHz an. Dem zu Grunde liegt die Ausführung des Dhrystone 2.1-Benchmarks für einen in 65 nm gefertigten Chip bei einer Taktung von 150 MHz. Die maximale Taktung des M4 soll bei über 300 MHz liegen.

Die Dekodierung einer MP3-Datei erledigt der M4 mit weniger als 10 MHz. Das reicht fast an die Frequenz von extra dafür entwickelten DSPs heran, die das mit ungefähr 6 MHz erledigen. Mikrocontroller brauchen für die Aufgabe zwischen 20 und 25 MHz. Damit benötigt der M4 nur 0,5 mW für diese Aufgabe.

Auf welche Märkte zielt der Cortex-M4?

Was erhofft sich ARM nun vom Cortex-M4? Einen der wichtigsten Märkte sieht das Unternehmen in der Motorsteuerung, bei der komplexe Algorithmen bewältigt werden müssen. Aber auch bei einfachen Audio-Geräten wie MP3-Playern oder in der Automatisierung soll der Cortex-M4 zum Einsatz kommen. Dieser Markt wird bisher von MCUs, DSPs bzw. von DSCs (Digital Signal Controller) anderer Hersteller dominiert. Den entscheidenden Vorteil im Vergleich zu einem reinen DSP sieht ARM in der einfachen C-Programmierung seiner Mikrocontroller.

Zu den ersten Lizenznehmern des Cortex-M4 gehören STMicroelectronics, NXP und auch Texas Instruments. TI könnte damit sein Angebot an den M3-basierten Stellaris-MCUs mit dem M4 erweitern. Ende des Jahres sollen die ersten ICs mit einem Cortex-M4-Core auf dem Markt sein.