Mini-CPU von ARM

ARMs jüngstes Cortex-Familienmitglied braucht nur 12.000 Gatter und soll günstig wie ein 8-Bit-Prozessor sein, aber die Performance eines 32-Bitters liefern.

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Von
  • Benjamin Benz

Der Prozessor-Designer ARM rundet seine Cortex-Familie mit dem nach eigenen Angaben kleinsten und sparsamsten ARM-Prozessor aller Zeiten nach unten ab: Der Cortex-M0 kommt mit weniger als 12.000 Gattern aus und begnügt sich mit 85 µWatt pro MHz Taktfrequenz. Zum Vergleich: Ein ARM7-Prozessor braucht rund 40.000 Gatter. Im Wesentlichen ist der Cortex-M0 die ASIC-Version des bereits eingeführten und auf FPGAs optimiertem Cortex-M1. Beide Verwenden eine Untermenge des Thumb-2-Befehlssatz, den unter anderem auch der Cortex-M3 nutzt. Daher läuft der für M0 und M1 identische Binärcode auch auf einem M3; nicht jedoch umgekehrt, unter anderem weil den beiden kleinen Brüdern die Speicherverwaltungseinheit fehlt. Dennoch eignen sie sich für einige Echtzeitbetriebssysteme.

Nach eigenen Angaben zeichnet sich der Code durch eine hohe Dichte aus, da ARM auf einen Trick setzt: Die Befehle sind nur 16 Bit breit, arbeiten aber mit 32-Bit-Daten. Daher muss der Cortex-M0 große Datentypen nicht mühsam zusammensetzen. Insbesondere beim Einsatz von Hochsprachen-Compilern soll der Cortex-M0 effizienter arbeiten als vergleichbar große CPUs wie der – schon recht betagte aber immer noch eingesetzte – 8051 von Intel. Dass ARM einen Intel-Prozessor als Vergleich heranzieht, dürfte kein Zufall sein, denn seit der x86-Gigant mit dem Atom zum Sturm auf ARM-Bastionen wie Smartphones geblasen hat, sticheln beide Firmen regelmäßig gegeneinander.

Cortex-M0-Chips sollen unter anderem in Bereiche drängen, die derzeit von 8- oder 16-Bittern besetzt sind. So wirbt ARM mit Slogans wie "32-Bit-Leistung zu 8-Bit-Preisen". Die M0-Kerne sollen in Messgeräten, Beleuchtungs- und Motorsteuerungen sowie drahtlosen und intelligenten Sensoren zum Einsatz kommen. Sie lassen sich in sogenannten Mixed-Signal-Prozessen zusammen mit Analog-Schaltungstechnik auf einem Die fertigen. Da es insbesondere in der Mechatronik oft um Leistungselektronik geht sind hier noch 180-nm-Strukturen üblich. Hingegen hatte ARM für den größten Bruder aus der Cortex-Familie den A9 kürzlich einen Prototyp mit 32-nm-Strukturen gezeigt. ARM fertigt übrigens die CPUs nicht selbst, sondern vergibt nur Lizenzen für das Design (Intellectual Property, IP) der CPU-Kerne.

Der Kunde synthetisiert dann den Kern und legt dabei beispielsweise fest, wie viele Interrupts er braucht, ob er für bestimmte Instruktionen Zusatz-Logik – wie dedizierte Multiplizierer – haben möchte oder lieber ein paar Gatter spart. Für minimalen Stromverbrauch des Cortex-M0 bietet ARM ein paar weitere Synthese-Optionen an: So gibt es eine optimierte "Ultra High Density"-Bibliothek, ein Power Management Kit und speziell für den M0 entwickelten Low-Power-Speicher. Letzterer lässt sich per "Power Gating" häppchenweise abschalten.

Als erste Lizenznehmer für den Cortex-M0 konnte ARM Triad Semiconductors und NXP Semiconductors gewinnen. Letzterer will noch in diesem Jahr erste M0-Chips vorstellen. (bbe)