貿(mào)澤電子：Mark Patrick

　　Arm 架構(gòu)已經(jīng)主導(dǎo)了當(dāng)今嵌入式處理和計(jì)算市場(chǎng)，但在過去的幾十年里，Arm 架構(gòu)卻走過了漫長(zhǎng)的道路。從20世紀(jì)80年代開始，它起初是作為家用電腦處理器，然后在20世紀(jì)90年代成為手機(jī)芯片的基礎(chǔ)。如今，在幾乎所有技術(shù)細(xì)分市場(chǎng)，Arm都是一個(gè)強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。許多人認(rèn)為，Arm 架構(gòu)已成為 32 位或 64 位處理器的首選。由于這種廣泛應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)有成千上萬種基于Arm架構(gòu)的變體。了解這些內(nèi)核彼此之間的不同是做出選擇決策的重要一環(huán)。

　　早在 2004 年，最初的 Cortex 家族就使 Arm架構(gòu)分化為三個(gè)內(nèi)核產(chǎn)品組，每個(gè)產(chǎn)品組都針對(duì)不同類型的應(yīng)用。最早集成到芯片的是Cortex-M，它已成為基于Arm微控制器（MCU）生態(tài)系統(tǒng)的支柱。盡管Cortex-M系列首次推出的是基于版本7架構(gòu)的內(nèi)核，但后來針對(duì)超低成本設(shè)備（即M0、M0+和M1）的新產(chǎn)品則是基于早期版本6架構(gòu)。所有Cortex-M處理器僅執(zhí)行Thumb指令集。另外兩個(gè)系列被設(shè)計(jì)為支持Thumb和完整的A32指令集。

　　圖1：Silicon Labs的EFM Tiny Gecko（小壁虎）。

　　自推出以來，Cortex-M3已經(jīng)得到許多MCU供應(yīng)商的采用，Cortex-M3內(nèi)核幫助這些MCU廠商定義其32位產(chǎn)品?，F(xiàn)在市場(chǎng)可用的MCU包括相對(duì)簡(jiǎn)單但又具備高性價(jià)比的產(chǎn)品，例如針對(duì)低功耗系統(tǒng)的Silicon Labs 的 EFM Tiny Gecko，以及賽普拉斯（Cypress）半導(dǎo)體的 PSoC5片上系統(tǒng)，它使傳統(tǒng)的MCU外設(shè)與高度靈活的可編程模擬功能結(jié)合在一起。

　　隨著MCU應(yīng)用開始要求提供更高的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）性能，Arm推出Cortex-M4以滿足市場(chǎng)的需求。該內(nèi)核可為浮點(diǎn)運(yùn)算提供支持，得到許多廠商的采用。一種常見的配置是將強(qiáng)大的Cortex-M4F內(nèi)核與較為簡(jiǎn)單的Cortex-M0或Cortex-M0+整合在一起，為用戶提供高效的電源管理和資源分配。

　　在賽普拉斯 PSoC6 或恩智浦（NXP）LPC5411x等器件中，M0+內(nèi)核可以處理中斷（interrupts），使M4或M4F可自由處理 DSP 任務(wù)，而不會(huì)產(chǎn)生中斷，從而能夠最大限度地提高數(shù)據(jù)吞吐量。這種責(zé)任劃分也使更強(qiáng)大的M4內(nèi)核能夠在活動(dòng)突發(fā)之間進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間睡眠。低功耗M0+ 可在相對(duì)有限的運(yùn)行期間處理比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)管理任務(wù)。

　　圖 2：來自賽普勒斯半導(dǎo)體的 PSoC6。

　　2014 年，Arm推出了M7內(nèi)核，將 Cortex-M 的性能提高到新的層級(jí)。此內(nèi)核采用六級(jí)超標(biāo)量（superscalar）流水線架構(gòu)，支持亂序操作，并通過完整的浮點(diǎn)運(yùn)算單元來進(jìn)一步增強(qiáng)。意法半導(dǎo)體的STM32F730x8集成了M7內(nèi)核、各種外設(shè)和公司專有的ART加速器技術(shù)（能夠?qū)崿F(xiàn)閃存的零等待狀態(tài)執(zhí)行）。

　　Cortex-A

　　2005 年，出于滿足手機(jī)業(yè)務(wù)向智能手機(jī)和平板電腦方向發(fā)展的需求變化，Arm推出了Cortex-A家族的首個(gè)成員。Cortex-A 旨在提供一系列針對(duì)應(yīng)用處理器定制的功能，也為在服務(wù)器和其他高端計(jì)算系統(tǒng)中部署 Arm內(nèi)核鋪平了道路。

　　Cortex-A 處理器與其他系列處理器之間的一個(gè)主要區(qū)別是支持分頁內(nèi)存管理單元（MMU）。Linux和類似的操作系統(tǒng)都需要MMU，因?yàn)樗軌驅(qū)⒊绦蚣捌鋽?shù)據(jù)在現(xiàn)實(shí)內(nèi)存中映射到不同虛擬地址空間，這提供了一定程度的安全保護(hù)功能，可防止不同任務(wù)使用的數(shù)據(jù)被破壞，此外還能夠?qū)⑽锢韮?nèi)存視為大型緩存。盡管程序是動(dòng)態(tài)加載和卸載，它還能夠避免內(nèi)存碎片化引起的問題。

　　使用分頁虛擬地址的一個(gè)潛在缺點(diǎn)是它們可能干擾實(shí)時(shí)操作，因此在Cortex-A處理器中增加了MMU，但在具有更強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)功能的產(chǎn)品系列中卻沒有。Cortex-A架構(gòu)從誕生之初的一個(gè)關(guān)鍵創(chuàng)新是TrustZone，由此可實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于硬件的安全層，如果沒有所需的安全證書，虛擬設(shè)備管理器（hypervisor）能夠拒絕任何任務(wù)對(duì)處理器和內(nèi)存某些部分的訪問。TrustZone可將加密操作和其他敏感操作納入受硬件防火墻保護(hù)的虛擬處理器。

　　在內(nèi)核方面，范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的Cortex-A5到高性能超標(biāo)量處理器，如Cortex-A72整合了同時(shí)發(fā)出三個(gè)指令的能力和執(zhí)行無序操作，簡(jiǎn)化了調(diào)度以實(shí)現(xiàn)最高效率。

　　Cortex-A家族的第二個(gè)重大創(chuàng)新是LITTLE框架，它是在2011年推出，這主要反映了針對(duì)應(yīng)用處理器市場(chǎng)的M4引入后不同Cortex-M內(nèi)核的耦合，增強(qiáng)了支持應(yīng)用處理器需求的其他功能。

　　對(duì)于較大LITTLE，Arm采用了將低端內(nèi)核（如A5或A7）與高性能，且通常是超標(biāo)量實(shí)施相結(jié)合的方法。在可能的情況下，操作系統(tǒng)會(huì)保持低功耗處理器的活動(dòng)時(shí)間盡可能長(zhǎng)，然后在工作負(fù)載超過特定閾值時(shí)才激活高功率內(nèi)核。與傳統(tǒng)的雙核架構(gòu)不同，任務(wù)可以根據(jù)系統(tǒng)條件從一個(gè)處理器遷移到另一個(gè)處理器。隨著對(duì)性能需求的增加，越來越多的Cortex-A實(shí)施都是圍繞處理器復(fù)合體采用四個(gè)高端內(nèi)核。通過在性能要求比較平靜的期間關(guān)閉一個(gè)或多個(gè)內(nèi)核，這種安排可以節(jié)省功率。

　　Cortex-R

　　Cortex-R是Arm公司第三大系列內(nèi)核，通過采用實(shí)時(shí)且高度可靠的功能，能夠支持新一代復(fù)雜的汽車和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在一些目標(biāo)應(yīng)用中需要一些確定性性能，意味著通常用于加快其他 Arm 處理器的緩存并不總是最佳方案。由于緩存會(huì)動(dòng)態(tài)地將指令和數(shù)據(jù)值替換為最近使用的條目，因此，當(dāng)中斷服務(wù)例程或?qū)崟r(shí)任務(wù)需要時(shí)，關(guān)鍵信息可能不在緩存中。Cortex-R家族通過支持緊密耦合存儲(chǔ)器（TCM）庫(kù)克服了這一問題。因此，關(guān)鍵信息可以在操作過程中存儲(chǔ)在其中，并且通過軟件管理，避免了指令和數(shù)據(jù)被緩存管理子系統(tǒng)替換的風(fēng)險(xiǎn)。

　　自從最初的Cortex-R4誕生以來，這個(gè)家族已經(jīng)發(fā)生了很多進(jìn)化，其中Cortex-R5和R7內(nèi)核具有低延遲外圍端口。大多數(shù)內(nèi)核都設(shè)計(jì)為與Arm 硬件總線 （AHB）等片上總線配合使用，或者在最近的內(nèi)核中，結(jié)合使用高級(jí)可擴(kuò)展接口（AXI）基礎(chǔ)架構(gòu)。低延遲端口將內(nèi)核直接連接到重要的外圍設(shè)備，無需對(duì)總線進(jìn)行仲裁，或等待其他總線訪問活動(dòng)完成，即可進(jìn)行訪問。

　　為了支持高度可靠的操作，Cortex-R內(nèi)核上的緩存、TCM 和系統(tǒng)總線可以使用錯(cuò)誤修改編碼來透明地更正單位（single-bit）錯(cuò)誤并檢測(cè)雙位錯(cuò)誤。由于模塊化冗余是安全關(guān)鍵型系統(tǒng)的核心部分，Cortex-R 系列內(nèi)核設(shè)計(jì)為可使用副本在鎖定步驟中工作。如果片上監(jiān)視器檢測(cè)到輸出差異，它可以警告存在的問題，以便軟件能夠采取糾正措施。采用Cortex-R 系列而生產(chǎn)的一個(gè)芯片例證是賽普拉斯半導(dǎo)體的Traveo S6J33xx系列 MCU，它集成有Cortex-R5F內(nèi)核，運(yùn)行在高達(dá)240MHz的頻率，并集成有針對(duì)汽車儀表板中驅(qū)動(dòng)儀表群集而優(yōu)化的外圍設(shè)備。

　　Arm v8

　　在2011 年，隨著版本8體系架構(gòu)的創(chuàng)建，迎來了Arm內(nèi)核產(chǎn)品的第二波更改，包括增強(qiáng)了具體應(yīng)用在64位模式下運(yùn)行的能力，極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用處理器的最大可尋址內(nèi)存空間。具有64位能力的Arm v8 處理器可以在 32位或 64位模式下運(yùn)行。32位運(yùn)行與為版本7處理器編寫的應(yīng)用提供向后兼容性。由于Cortex-M 系列中的版本8處理器專注于MCU應(yīng)用，因而不支持64位尋址。但是，它們確實(shí)增加了許多額外的指令和功能，以提高性能并增強(qiáng)安全操作。

　　其中一個(gè)重要的進(jìn)步是重新設(shè)計(jì)的內(nèi)存保護(hù)單元（MPU），它允許更靈活地管理分區(qū)。另一個(gè)是完全支持僅執(zhí)行內(nèi)存（execute-only-memory），以幫助防止反向工程和黑客攻擊。但是，安全性方面最大的變化是支持專門針對(duì)深度嵌入式處理器而優(yōu)化的TrustZone機(jī)制。

　　對(duì)于Cortex-M 版本中TrustZone，無需軟件虛擬設(shè)備管理器來管理安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。相反，可使用專用指令從不安全的任務(wù)傳遞數(shù)據(jù)到安全的功能，以保護(hù)允許在特權(quán)模式下運(yùn)行。如果沒有正確的權(quán)限，即使高優(yōu)先級(jí)中斷也無法讀取到寄存器中的安全數(shù)據(jù)。安全功能允許創(chuàng)建保護(hù)良好的 IoT 設(shè)備，這些都可以通過基于Cortex-M23和Cortex-M33等內(nèi)核的MCU實(shí)現(xiàn)。

　　Microchip的 SAML11 MCU采用了Cortex-M23增強(qiáng)型片上加密控制器，可為傳感器節(jié)點(diǎn)和類似設(shè)計(jì)提供硬件安全保證。Nordic Semiconductor的nRF9160采用Cortex-M33來提供需要安全射頻通信的器件處理功能。

　　圖 3：Microchip公司的 SAML11 MCU 示例。

　　結(jié)論

　　毫無疑問，Arm是全球電子行業(yè)中最偉大的成功案例之一。為了滿足許多不同市場(chǎng)的需求，Arm提供的廣泛產(chǎn)品組合繼續(xù)向多個(gè)方向擴(kuò)展。Cortex-A、Cortex-M和Cortex-R等細(xì)分產(chǎn)品系列的進(jìn)一步區(qū)分，已證明是這種快速增長(zhǎng)的基礎(chǔ)，并且將繼續(xù)推動(dòng)Arm內(nèi)核在不斷出現(xiàn)的新領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。