Cortex系列ARM核心及體系結(jié)構(gòu)介紹

目前，隨著對嵌入式系統(tǒng)的要求越來越高，作為其核心的嵌入式微處理器的綜合性能也受到日益嚴(yán)峻的考驗(yàn)，最典型的例子就是伴隨3G網(wǎng)絡(luò)的推廣，對手機(jī)的本地處理能力要求很高，現(xiàn)在一個(gè)高端的智能手機(jī)的處理能力幾乎可以和幾年前的筆記本電腦相當(dāng)。為了迎合市場的需求，ARM公司也在加緊研發(fā)他們最新的 ARM架構(gòu)，Cortex系列就是這樣的產(chǎn)品。在Cortex之前，ARM核都是以ARM為前綴命名的，從ARM1一直到ARM11，之后就是 Cortex系列了。Cortex在英語中有大腦皮層的意思，而大腦皮層正是人腦最核心的部分，估計(jì)ARM公司如此命名正有此含義吧。

一．ARMv7架構(gòu)特點(diǎn)

下表列出了ARM微處理器核心以及體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史：

表一: ARM微處理器核心以及體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史

我們可以看到，Cortex系列屬于ARMv7架構(gòu)，這是ARM公司最新的指令集架構(gòu)，而我們比較熟悉的三星的S3C2410芯片是ARMv4架構(gòu)，ATMEL公司的AT91SAM9261芯片則是ARMv5架構(gòu)。

ARMv7架構(gòu)是在ARMv6架構(gòu)的基礎(chǔ)上誕生的。該架構(gòu)采用了Thumb-2技術(shù)，Thumb-2技術(shù)是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并且保持了對現(xiàn)存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術(shù)比純32位代碼少使用 31％的內(nèi)存，減小了系統(tǒng)開銷。同時(shí)能夠提供比已有的基于Thumb技術(shù)的解決方案高出38％的性能。ARMv7架構(gòu)還采用了NEON技術(shù)，將DSP和媒體處理能力提高了近4倍，并支持改良的浮點(diǎn)運(yùn)算，滿足下一代3D圖形、游戲物理應(yīng)用以及傳統(tǒng)嵌入式控制應(yīng)用的需求。此外，ARMv7還支持改良的運(yùn)行環(huán)境，以迎合不斷增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptive Compilation)技術(shù)的使用。另外，ARMv7架構(gòu)對于早期的ARM處理器軟件也提供很好的兼容性。

ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用；“R”系列針對實(shí)時(shí)系統(tǒng)；“M”系列對微控制器和低成本應(yīng)用提供優(yōu)化。下圖為v5至v7架構(gòu)比較：

圖一：v5至v7架構(gòu)比較

由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，基于v7架構(gòu)的Cortex處理器系列所采用的技術(shù)也不相同，基于v7A的稱為Cortex-A系列，基于v7R的稱為Cortex-R系列，基于v7M的稱為Cortex-M系列。下面一一介紹。

二．Cortex-A8

Cortex-A8第一款基于ARMv7構(gòu)架的應(yīng)用處理器。Cortex-A8是ARM公司有史以來性能最強(qiáng)勁的一款處理器，主頻為600MHz到1GHz。A8可以滿足各種移動(dòng)設(shè)備的需求，其功耗低于300毫瓦，而性能卻高達(dá)2000MIPS。

Cortex-A8也是ARM公司第一款超級標(biāo)量處理器。在該處理器的設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用了新的技術(shù)以提高代碼效率和性能，采用了專門針對多媒體和信號處理的NEON技術(shù)。同時(shí)，還采用了Jazelle RCT技術(shù)，可以支持JAVA程序的預(yù)編譯與實(shí)時(shí)編譯。

針對Cortex-A8，ARM公司專門提供了新的函數(shù)庫（Artisan Advantage-CE）。新的庫函數(shù)可以有效的提高異常處理的速度并降低功耗。同時(shí)，新的庫函數(shù)還提供了高級內(nèi)存泄漏控制機(jī)制。

Cortex-A8處理器使用了先進(jìn)的分支預(yù)測技術(shù)，并且具有專用的NEON整型和浮點(diǎn)型流水線進(jìn)行媒體和信號處理。在使用小于4 mm2的硅片及低功耗的65 nm工藝的情況下，Cortex-A8處理器的運(yùn)行頻率將高于600MHz(不包括NEON追蹤技術(shù)和二級高速緩沖存儲(chǔ)器)。在高性能的90 nm和65 nm工藝下，Cortex-A8處理器運(yùn)行頻率最高可達(dá)1 GHz，能夠滿足高性能消費(fèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要。

Cortex-A8第一次為低費(fèi)用、高容量的產(chǎn)品帶來了臺(tái)式機(jī)級別的性能。當(dāng)前最新的IPHONE手機(jī)和ANDROID手機(jī)里的處理器就是基于Cortex-A8內(nèi)核的芯片。

Cortex-A8的系統(tǒng)框圖如下：

圖二：Cortex-A8的系統(tǒng)框圖

更詳細(xì)的框圖如下：

圖三：Cortex-A8的詳細(xì)系統(tǒng)框圖

三．Cortex-R4

Cortex-R4是ARM開發(fā)的超標(biāo)量結(jié)構(gòu)的ARM內(nèi)核，主要面向?qū)崟r(shí)控制領(lǐng)域，如汽車剎車控制等，這一領(lǐng)域要求處理器響應(yīng)中斷的實(shí)時(shí)性高，并且要盡可能的節(jié)約成本，而很多客戶要求不需過多提高工作頻率，就能提高運(yùn)算性能，因此在Cortex-R4的設(shè)計(jì)過程中，工作頻率的最佳點(diǎn)位是 300MHz。再高的話，不僅需要高速內(nèi)存，而且時(shí)鐘樹的設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜。結(jié)果，判斷合理的做法就是采用超標(biāo)量結(jié)構(gòu)，增加單位周期所執(zhí)行的指令平均數(shù)。 Cortex-R4單位工作頻率的運(yùn)算性能為 1.62MIPS（按Dhrystone換算）/MHz，比ARM9的約1.2MIPS/MHz大幅提高。Cortex-R4電路規(guī)模只是比ARM9略有增加，但是可以實(shí)現(xiàn)更接近于Cortex-A8的運(yùn)算性能。

Cortex-R4系統(tǒng)框圖如下所示：

圖四：Cortex-R3系統(tǒng)框圖

四．Cortex-M3

ARM Cortex-M系列則是為那些對開發(fā)費(fèi)用非常敏感同時(shí)對性能要求小斷增加的嵌入式應(yīng)用(如微控制器、汽車車身控制系統(tǒng)和各種大型家電)所設(shè)計(jì)的，主要面向單片機(jī)領(lǐng)域，可以說是51單品機(jī)的完美替代品。
Cortex-M3系統(tǒng)框圖如下所示：

圖五：Cortex-M3系統(tǒng)框圖

Cortex-M3的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，并且能實(shí)現(xiàn)更小芯片面積，利于將更多功能整合在更小的芯片尺寸中。Cortex- M3處理器結(jié)合了執(zhí)行Thumb-2指令的32位哈佛微體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)外設(shè)，包括Nested Vec-tored Interrupt Controller和Arbiter總線。該技術(shù)方案在測試和實(shí)例應(yīng)用中表現(xiàn)出較高的性能：在臺(tái)機(jī)電180 nm工藝下，芯片性能達(dá)1.2 DMIPS／MHz，時(shí)鐘頻率高達(dá)100 MHz。

在工控領(lǐng)域，用戶要求具有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，完全基于硬件進(jìn)行中斷處理，最多可減少12個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中可減少 70%中斷。

五．總結(jié)