選擇最適處理器核心架構　嵌入式應用提高性價比

　　現(xiàn)階段半導體晶片商多采用ARM的處理器核心，來制造旗下處理器或微控制器等產(chǎn)品。ARM的核心可分為A、R、M三個系列，各有不同性能，因此晶片商也須依各自瞄準的市場、功耗需求和作業(yè)系統(tǒng)等差異，來選擇較適合的核心，藉以制造性價比佳的產(chǎn)品。

　　現(xiàn)今嵌入式應用內(nèi)須用到諸多處理器，因此半導體廠商也積極投入布局，舉例來說安謀國際(ARM)的處理器便廣泛應用于嵌入式領域。ARM Cortex-A系列處理器經(jīng)常使用在需要多功能作業(yè)系統(tǒng)(Rich OS)或高效能的應用中，Cortex-R系列處理器擁有較佳的即時效能，Cortex-M系列處理器則用于微控制器等類型的小型應用。

　　目前采用Cortex-M的產(chǎn)品范圍涵蓋非常多樣化的選項，從外型設計小巧、功耗低的Cortex-M0，其使用在深層嵌入、對成本敏感的應用如智慧型感測器節(jié)點上，到應用在大眾市場的微控制器的Cortex-M3及Cortex-M4。最佳的則是Cortex-M7，其具備更高的效能，可以執(zhí)行密集運算的工作負載，像是訊號處理等。

　　Cortex-M處理器采用的ARMv6-M和ARMv7-M架構，是更為簡易且邏輯化的程式設計模型，專為簡易使用所設計。處理器核心本身在設定上較彈性，能夠用于更多樣化的實作。

　　雖然Cortex-M核心的簡易性對大部分的嵌入式應用來說是較佳的優(yōu)勢，但仍有其他應用需要更多功能、效能更高的環(huán)境。此類應用同樣重視效率和耗電量，且經(jīng)常需要Linux或Android等類型的平臺作業(yè)系統(tǒng)。采用此類型的作業(yè)系統(tǒng)，則能夠使用應用范圍更廣、更具多功能且復雜的軟體生態(tài)系統(tǒng)，開發(fā)新的契機。

　　Cortex-M處理器的設計并非針對這些高階的作業(yè)系統(tǒng)，因此未包含其所需要的特定必要功能。舉例來說，這些處理器未具備記憶體管理單元(MMU)，在無法支援虛擬記憶體環(huán)境的情況下，當然也就不支援這一類的作業(yè)系統(tǒng)。若某項應用需要更多功能的作業(yè)環(huán)境，首選的通常是較高效率的Cortex-A核心。這些核心提供平臺作業(yè)系統(tǒng)所需的較進階功能，同時仍相當重視功耗，整體來說是更為高階且彈性化的程式設計模型。

　　有鑒于此，ARM Cortex-A處理器多部署于各種深度嵌入的應用，尤其是在需要Linux或其他多功能作業(yè)系統(tǒng)的市場。

　　圖1顯示Cortex-A處理器目前的應用范圍，重點在于其中的較低功耗核心。本文以此一系列中的最新型Cortex-A32處理器為主。

　　圖1　Cortex-A處理器與架構

　　Cortex-A32是進入Cortex-A系列較理想的入門款，可用于需要多功能作業(yè)系統(tǒng)環(huán)境，或從Cortex-A處理器所提供的效能及功能中獲益的應用。該處理器為目前擁有低功耗的ARMv8-A處理器，為穿戴式裝置、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和多功能嵌入式應用，尤其是需要Linux這一類平臺作業(yè)系統(tǒng)之應用的較佳選擇。

　　搶攻32位元運算市場　A系列新處理器功耗更低

　　Cortex-A32在ARM架構中扮演著獨特的角色。其采用ARMv8-A架構，但僅支援32位元的運算。圖2顯示Cortex-A32如何融入ARMv8-A架構設定，以及與Cortex-A35的差異。

　　圖2　Cortex-A32與Cortex-A35比較

　　Cortex-A35同時采用32位元的AArch32和64位元的AArch64兩種執(zhí)行狀態(tài)，能夠完整提供ARMv8-A架構的64位元功能。另一方面，Cortex-A32則只采用32位元的AArch32執(zhí)行狀態(tài)。移除了64位元的功能以后，不僅體積縮減，對于不需要64位元功能的使用來說，更能降低其功耗。盡管嵌入式領域中有許多應用都可從64位元的執(zhí)行中獲益，但有許多仍著重在32位元，且將在可預見的未來保持現(xiàn)況，而這些應用便是Cortex-A32的目標市場。

　　AArch32執(zhí)行狀態(tài)為更早期的Cortex-A處理器所采用的ARMv7-A架構的進化版。據(jù)了解，Cortex-A32即使不具備64位元的功能，但仍提供某些重要的強化，因此功耗還是優(yōu)于Cortex-A7和Cortex-A5。

　　此外，對于仍采用這些舊版ARM處理器的延伸設計，或以此相同市場為目標的新設計而言，Cortex-A32仍是理想選擇。

　　AArch32優(yōu)于ARMv7-A的特點包括：

　　.新增許多新指令，加密演算功能效能更佳

　　.新加入Load Acquire和Store Release指令，提供更有效率的記憶體排序功能，符合最新的C++11記憶體排序語法

　　.額外的純量與SIMD浮點指令

　　.廣泛的系統(tǒng)控制指令

　　這些額外功能提供更佳的效能，更勝舊版32位元ARMv7-A處理器。

　　Cortex-A32匯流排介面加入了先進同步擴展(ACE)，因此能通過Cortex-A32來建構完全同步的多重處理系統(tǒng)，提高所需要的更高效能。

　　假如空間或耗電量為主要的限制，Cortex-A32也有變體版本，特別針對單處理器應用最佳化，省略互連邏輯，以節(jié)省更多的功耗。

　　Cortex-A32透過Large Physical Address Extension(LPAE)擴大了定址實體記憶體空間，超越Cortex-A5所提供的32位元(4GB)空間，可提供40位元定址空間。

　　核心本身也整合其他多項有助于改善功耗的進階功能，包括更彈性化的電源管理、更細微分布的電力區(qū)域，并使用保存功率閘級。

　　ARMv7-M與ARMv8-A AArch32架構比較

　　下文將比較ARMv7-M與ARMv8-A AArch32的架構特色與差異。

　　ARMv7-M架構特色

　　ARM Cortex-M處理器系采用ARMv7-M架構設定，Cortex-M0和Cortex-M0+則采用類似的ARMv6-M架構。

　　此架構與先前的ARM架構有許多共同的特色，且經(jīng)過特殊設計，以支援深層嵌入、低成本的即時微控制器應用。所以移除了舊架構的許多功能，但也加入新功能，制造出一個更像類微控制器的程式設計模型。

　　舉體來說，從舊型處理器(像是常見的ARM7TDMI)的變動可總結如下：

　　.作業(yè)模式的數(shù)量從七個以上大幅減少到兩個：Handler模式和Thread模式。其中一項模式(Handler模式)具選擇性優(yōu)先權限。

　　.暫存器檔經(jīng)過簡化。雖然開放供程式設計人員使用的暫存器基本上仍同樣是十六個，舊型架構中所用的備份暫存器復制機制也大幅減少，因此只有Stack Pointer(r13)會在兩個作業(yè)模式中加以暫存。備份暫存器為選擇性使用，甚至可以省略。

　　.最大的變動在于異常模式。由于一般的微控制器應用可能會有大量的晶片周邊中斷，所以標準的巢狀向量中斷控制器(Nested Vectored Interrupt Controller, NVIC)規(guī)格會包含在架構中，所有的Cortex-M核心均包含該規(guī)格。同樣地，異常處理模式已在包含處理常式位址的向量表上加以標準化。內(nèi)容的儲存與回復作業(yè)完全在硬體上實作，簡化寫入中斷處理的軟體工作，如此可在實作時達到非常低且可預測的中斷延遲時間。

　　.ARMv7-M定義選擇性的記憶體保護架構，該架構與某些舊型ARM處理器所用的架構類似。裸機系統(tǒng)或在即時作業(yè)系統(tǒng)(RTOS)下運作的系統(tǒng)由于通常不需要虛擬記憶體，因此不支援虛擬記憶體。

　　.為支援各種即時作業(yè)系統(tǒng)的運作和執(zhí)行，有些標準的晶片周邊也會在架構中加以定義，如SysTick Timer。

　　.為縮小處理器核心的大小，ARMv7-M處理器的運行限縮到只有Thumb指令集(包含Thumb-2延伸)，僅執(zhí)行最小的子集，進而實現(xiàn)最小的核心。

　　ARMv8-A AArch32特色

　　Cortex-A處理器采用ARMv7-A或ARMv8-A架構設定。ARMv8-A處理器提供AArch32執(zhí)行狀態(tài)，為32位元ARMv7-A架構的向下相容演化版。這些架構可實現(xiàn)專門設計用來支援Linux、Android、Windows等平臺作業(yè)系統(tǒng)的功能，而這些系統(tǒng)需要虛擬記憶體環(huán)境。

　　其與Cortex-M處理器核心截然不同的特定功能包括：

　　.有七個以上的作業(yè)模式：User、Supervisor、阻斷要求(IRQ)、快速中斷(Fast Interrupt, FIQ)、Undefined、Abort、System。每一模式皆用于處理特定類型事件(例如IRQ模式便是設計用于處理IRQ中斷)。AArch32亦支援Hyp和Monitor這兩個額外的模式，這兩個模式分別用于虛擬化及ARM TrustZone技術。

　　.除了可用的登錄數(shù)量相同(16)，AArch32還有許多與上述作業(yè)模式相關的“備份”暫存器。進入相關的作業(yè)模式時，這些暫存器將取代User模式下的暫存器。如此可簡化許多異常處理工作，但也表示機器的管理和初始化工作將增加。

　　.其異常模式極為不同，其原型存在于最早的ARM架構裝置中。具體來說，向量表包含一組可執(zhí)行的指令集，而不是位址，且內(nèi)容的儲存與回復Restore工作幾乎完全交給程式設計人員執(zhí)行。

　　.最大的差異是加入了記憶體管理單元，可執(zhí)行核心所核發(fā)之虛擬位址，以及記憶體系統(tǒng)所需要的實體位址間的轉(zhuǎn)譯。如此便能實作完全的隨選分頁虛擬記憶體環(huán)境，以供Linux等平臺作業(yè)系統(tǒng)使用。

　　ARMv7-M與AArch32的差異

　　從采用Cortex-M處理器的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到采用Cortex-A32處理器時，有許多新功能值得關注。

　　雖然這兩種架構有許多類似之處(如備份暫存器和指令集之間有許多相同點)，但重要的是ARMv8-A架構的AArch32執(zhí)行狀態(tài)所含的許多功能，均是以舊型架構的功能為基礎。

　　接下來說明AArch32所具備，但為ARMv7-M所無或差異極大的功能。

　　作業(yè)模式

　　如圖3所示，ARMv7-M只定義兩個作業(yè)模式：Thread模式與Handler模式。若無需要，Handler模式可選擇性取消優(yōu)先權限，雖然這項功能未必須要在軟體內(nèi)使用。Handler模式適用于處理異常，Thread模式則用于使用者處理程序。這兩個模式轉(zhuǎn)換基本上是自動的，會在特定事件下發(fā)生，如圖3所示。例如，發(fā)生異常時會自動進入Handler模式，異常處理完成時則會退出Handler模式。SVCall指令為主要的方法，軟體用其來進入Handler模式(也可將啟用的IRQ設定為待處理狀態(tài)，以執(zhí)行Handler)。

　　圖3　ARMv7-M作業(yè)模式

　　圖4則顯示AArch32執(zhí)行狀態(tài)支援的作業(yè)模式。與ARMv7-M相較，AArch32有七個基本模式，其中五個指定用于處理特定異常。例如，取得FIQ異常時會進入FIQ模式;若發(fā)生未定義指令等情形，會進入Undef模式。

　　圖4　AArch32作業(yè)模式

　　模式的轉(zhuǎn)換通常為自動發(fā)生，但也可在Current Program Status Register(CPSR)中寫入Mode欄位，用軟體控制來完整切換模式。其細節(jié)描述如下。與SVCall指令類似，SVC指令用于讓軟體引發(fā)SVC異常并進入SVC模式。

　　圖4中未顯示AArch32所支援的另兩個模式(為節(jié)省空間)，也就是Hyp模式(用于Hypervisor)與Monitor模式(用于TrustZone安全性)。相關主題較為復雜，本文不予討論。