詳解ARM Cortex-A32處理器 打造超高能效嵌入式環(huán)境

Cortex-A32是ARM架構(gòu)中獨(dú)一無(wú)二的產(chǎn)品，擁有重要地位。Cortex-A32基于ARMv8-A架構(gòu)，卻是針對(duì)32位設(shè)計(jì)的處理器。下圖介紹了Cortex-A32與ARMv8-A架構(gòu)的匹配程度，并與Cortex-A35進(jìn)行了對(duì)比。

圖一：Cortex-A32和ARMv8-A

基于上述，Cortex-A35可以實(shí)現(xiàn)兩種執(zhí)行態(tài)，分別為32位AArch32及64位AArch64，從而充分發(fā)揮ARMv8-A架構(gòu)的64位操作能力;相對(duì)比，Cortex-A32僅支持32位AArch32執(zhí)行態(tài)，這一決定不僅進(jìn)一步壓縮產(chǎn)品面積，對(duì)于不需要64位操作能力的用例，還可以帶來(lái)顯著的功耗優(yōu)化。

無(wú)可否認(rèn)，部分嵌入式應(yīng)用可以從64位獲益，但許多其他應(yīng)用都是32位的，將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間市場(chǎng)也會(huì)依舊如此，Cortex-A32則專為這些應(yīng)用程序量身打造。

AArch32執(zhí)行態(tài)是早期Cortex-A處理器所用ARMv7-A架構(gòu)的升級(jí)版。盡管不具備64位功能，但在其它某些功能卻得到顯著增強(qiáng)，使 Cortex-A32與Cortex-A7和Cortex-A5相比更加高效;對(duì)基于更早ARM處理器的設(shè)計(jì)演變，或聚焦嵌入式市場(chǎng)的全新設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，都是理想的選擇。

對(duì)比ARMv7-A，AArch32在如下方面得到強(qiáng)化：

添加多項(xiàng)新指令，密碼函數(shù)性能提高;

全新的負(fù)載獲取及存儲(chǔ)釋放(Load Acquire and Store Release)指令，讓訪存排序更高效，與全新C++11訪存排序語(yǔ)義匹配;

額外的標(biāo)量和單指令多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(SIMD)浮點(diǎn)指令;

更豐富的系統(tǒng)控制指令。

對(duì)比早期的32位ARMv7-A處理器，Arrch32這些額外特性使其具備更佳的性能。

Cortex-A32總線接口上的高級(jí)一致性擴(kuò)展(Advanced Coherency Extensions，ACE)使其可以利用Cortex-A32構(gòu)建支持完全一致的多處理器系統(tǒng)，按需升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)更高的性能。不過(guò)，如果產(chǎn)品面積與功耗是最主要的限制因素，Cortex-A32也提供專門針對(duì)單處理器應(yīng)用優(yōu)化的版本， 移除一致性邏輯，實(shí)現(xiàn)更高功效。

經(jīng)過(guò)大物理地址擴(kuò)展(Large Physical Address Extension，LPAE)，Cortex-A32的可尋址內(nèi)存空間得到擴(kuò)展，超過(guò)Cortex-A5的32位(4GB)，達(dá)到40位物理地址空間。

核心本身配置了額外的高級(jí)功能，進(jìn)一步提高效率。其中包括更靈活的功耗管理、更優(yōu)化的電源域和保留電源門控(retention power gating)的延伸使用。

ARMv7-M 主要特性

ARM Cortex-M處理器基于ARMv7-M架構(gòu)(Cortex-M0和Cortex-M0+ 采用類似的ARMv6-M架構(gòu))。雖然與早期的ARM架構(gòu)有眾多相似之處，但ARMv7-M經(jīng)過(guò)專門打造，更適合深度嵌入、低成本的實(shí)時(shí)微處理器應(yīng)用。因此，早期架構(gòu)的很多功能被刪除，并添加了新的特性，以構(gòu)建更符合“微控制器”環(huán)境的編程模式。

對(duì)比前代處理器(例如備受歡迎的ARM7TDMI)，變化具體如下：

1.操作模式數(shù)量顯著減少，從7種甚至更多減至2種：僅保留處理器模式與線程模式。其中一種模式(處理器模式)可以默認(rèn)為優(yōu)先采用。

2.寄存器文件簡(jiǎn)化。雖然編程器可用的寄存器數(shù)量實(shí)質(zhì)上仍然是16個(gè)，但前代架構(gòu)使用的分組寄存器機(jī)制明顯減少，因此兩種操作模式寄存的只有棧指針(r13)。是否使用寄存拷貝可自行設(shè)置。

3.異常模式的變化最為明顯。由于典型的微控制器應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)大量的芯片外設(shè)中斷，基于此，全新架構(gòu)中的所有Cortex-M核心都配置了標(biāo)準(zhǔn)嵌套中斷向量控制器(Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC)。類似的，根據(jù)記載處理器地址的向量表，異常處理模式也被標(biāo)準(zhǔn)化。上下文保存和恢復(fù)操作完全在硬件中實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化編寫中斷處理器的軟件任務(wù)。基于上述，實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的干擾性延遲發(fā)生幾率被降到極低，且高度可預(yù)測(cè)。

4.與前代ARM處理器類似，ARMv7-M定義了可選內(nèi)存保護(hù)架構(gòu)。同時(shí)，因?yàn)槁憬饘傧到y(tǒng)或在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)下運(yùn)行的系統(tǒng)通常不需要虛擬內(nèi)存，ARMv7-M并不為其提供支持。

5.為協(xié)助實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)的實(shí)現(xiàn)和移植，一些標(biāo)準(zhǔn)的片上外圍設(shè)備也在架構(gòu)中獲得定義，例如SysTick timer。

6.為進(jìn)一步縮小處理器核心面積，ARMv7-M處理器僅采用Thumb指令集(包括Thumb-2指令集擴(kuò)展)。

ARMv8-A AArch32 主要特性

Cortex-A處理器基于ARMv7-A或ARMv8-A架構(gòu)。ARMv8-A處理器支持AArch32執(zhí)行態(tài)，是32位ARMv7-A架構(gòu)的兼容升級(jí)。這些架構(gòu)的設(shè)計(jì)添加了專屬特性，比如虛擬內(nèi)存環(huán)境，以支持包括Linux、Android、Windows等的平臺(tái)操作系統(tǒng)。

對(duì)比Cortex-M處理器核心，Cortex-A獨(dú)特之處包括：

1.擁有7種或更多操作模式：用戶、管理器、IRQ、FIQ、未定義、中止、系統(tǒng)。每種模式都可以處理一項(xiàng)具體事件，例如，IRQ模式被用于處理IRQ 中斷。AArch32還支持另外兩種模式：Hyp 和監(jiān)視器，這兩種模式分別用于虛擬化及ARM TrustZone。

2.雖然可以使用的寄存器數(shù)量同樣是16個(gè)，但AArch32有許多與上述操作模式相對(duì)應(yīng)的“分組”(banked)寄存器。一旦進(jìn)入特定操作模式，這些寄存器就會(huì)取代對(duì)應(yīng)的用戶模式。這使異常處理的許多方面得到簡(jiǎn)化，但也意味著需要提高機(jī)器管理能力，并在初始化上花更大的功夫。

3.異常模式有顯著差別，與最初的ARM架構(gòu)設(shè)備一脈相承。具體來(lái)說(shuō)，向量表是由一組可執(zhí)行的指令組成，而不是地址，并且保存和恢復(fù)上下文的任務(wù)幾乎完全由編程器承擔(dān)。

4.還有一個(gè)重要差別是內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit ，MMU)，內(nèi)存管理單元會(huì)編譯核心提交的虛擬地址以及存儲(chǔ)系統(tǒng)需要的物理地址。針對(duì)Linux一樣的平臺(tái)操作系統(tǒng)所使用的完整需求分頁(yè)虛擬存儲(chǔ)器環(huán)境，Cortex-A也可以提供支持。

ARMv7-M 與 AArch32 的不同之處

從基于Cortex-M處理器的系統(tǒng)遷移到基于Cortex-A32處理器的系統(tǒng)時(shí)，許多新特性也有必要了解。盡管這兩種架構(gòu)之間有許多相似之處(如寄存器組和指令集存在多種共性)，但仍然需要清楚一點(diǎn)，ARMv8-A架構(gòu)在AArch32執(zhí)行態(tài)下的許多特性是基于早期架構(gòu)的。本節(jié)將詳細(xì)介紹 AArch32的特性，這些特性在ARMv7-M中不具備，或者實(shí)現(xiàn)方式極其不同。