Cortex系列ARM內(nèi)核介紹

眾所周知，英國的ARM公司是嵌入式微處理器世界當(dāng)中的佼佼者。ARM一直以來都是自己研發(fā)微處理器內(nèi)核架構(gòu)，然后將這些架構(gòu)的知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)給各個芯片廠商，精簡的CPU架構(gòu)，高效的處理能力以及成功的商業(yè)模式讓ARM公司獲得了巨大的成功，使他迅速占據(jù)了32位嵌入式微處理器的大部分市場份額，甚至現(xiàn)在，ARM芯片在上網(wǎng)本市場的也大有與INTEL的ATOM處理器一較高低的實力。

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，最典型的例子就是伴隨3G網(wǎng)絡(luò)的推廣，對手機的本地處理能力要求很高，現(xiàn)在一個高端的智能手機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ARM公司如此命名正有此含義吧。

一.ARMv7架構(gòu)特點

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，并支持改良的浮點運算，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”系列針對實時系統(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勁的一款處理器，主頻為600MHz到1GHz。A8可以滿足各種移動設(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，還采用了Jazelle RCT技術(shù)，可以支持JAVA程序的預(yù)編譯與實時編譯。

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，新的庫函數(shù)還提供了高級內(nèi)存泄漏控制機制。

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器)。在高性能的90 nm和65 nm工藝下，Cortex-A8處理器運行頻率最高可達(dá)1 GHz，能夠滿足高性能消費產(chǎn)品設(shè)計的需要。

Cortex-A8第一次為低費用、高容量的產(chǎn)品帶來了臺式機級別的性能。當(dāng)前最新的IPHONE手機和ANDROID手機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)中斷的實時性高，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，就能提高運算性能，因此在Cortex-R4的設(shè)計過程中，工作頻率的最佳點位是300MHz。再高的話，不僅需要高速內(nèi)存，而且時鐘樹的設(shè)計也更為復(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，但是可以實現(xiàn)更接近于Cortex-A8的運算性能。

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)費用非常敏感同時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)計的，主要面向單片機領(lǐng)域，可以說是51單品機的完美替代品。