ARM Cortex-A32 – 復雜嵌入式設備的必然選擇

　　前言

　　ARM處理器在嵌入式設備領域的應用非常廣泛。其中，ARM Cortex-A處理器通常用于需要操作系統(tǒng)或高性能支持的應用程序;Cortex-R處理器用于實時性能要求較高的應用程序;而Cortex-M處理器則更適用于類似小型微控制器的應用程序。

　　就Cortex-M處理器核心來講，ARM已經(jīng)擁有非常豐富的產(chǎn)品類型。Cortex-M0是同系列的首款處理器，設計初衷是利用其小體積、低功耗的優(yōu)勢，滿足深度嵌入、成本敏感的應用程序的要求，例如智能傳感器節(jié)點。Cortex-M3處理器和Cortex-M4處理器則主要針對大眾市場的微控制器。Cortex-M7處理器則是整個系列的最高端產(chǎn)品，性能更高，可以處理計算強度極高的工作負載，也包括信號處理。

　　基于ARMv6-M和ARMv7-M架構(gòu)的Cortex-M處理器，以簡單易用的編程模型，通過搭載高度可配置核心，滿足多種不同設備的應用。

　　對多數(shù)嵌入式應用而言，盡管Cortex-M核心擁有簡單易操作的強大優(yōu)勢，但仍有很多用例需要更豐富、更強大的環(huán)境。一方面，這些應用對效率和功耗依然十分敏感;但另一方面，諸如Linux或Android的操作平臺依舊不可或缺。遷移至類似操作系統(tǒng)，應用程序即可利用規(guī)模更大、內(nèi)容更豐富、設計更精致的軟件生態(tài)系統(tǒng)。

　　Cortex-M處理器關(guān)注的重點不是運行更高層次的操作系統(tǒng)，因此也不需要考慮運行負責操作系統(tǒng)的必備功能。例如，Cortex-M沒有內(nèi)存管理單元(MMU)，不支持虛擬存儲環(huán)境，因此也就不支持這類操作系統(tǒng)。如果應用程序需要更豐富的操作環(huán)境，通常第一個選擇是“超高效率”的Cortex-A核心。這些核心可以為平臺操作系統(tǒng)提供更高級的功能支持，同時保持對很高的功耗效率。上述內(nèi)容代表了更先進、更靈活的編程模式

　　得益于此，ARM Cortex-A處理器在深度嵌入式應用程序中得到廣泛部署;尤其是在需要Linux或其他復雜操作系統(tǒng)的市場中，其采納更為普遍。

　　圖1- Cortex-A處理器和架構(gòu)

　　圖1介紹了目前的Cortex-A處理器家族，綠色高亮的是“超高能效”核。本白皮書將重點介紹其中的最新產(chǎn)品Cortex-A32。

　　對希望利用復雜操作系統(tǒng)環(huán)境或Cortex-A系列處理器強大性能和功能的應用來講，Cortex-A32是一款理想的入門產(chǎn)品。它是ARMv8-A 架構(gòu)中能效最高的CPU，是可穿戴設備、物聯(lián)網(wǎng)及富嵌入式應用的理想選擇;而且尤其適合需要使用Linux等平臺操作系統(tǒng)的應用。

　　Cortex-A32 產(chǎn)品介紹

　　Cortex-A32是ARM架構(gòu)中獨一無二的產(chǎn)品，擁有重要地位。Cortex-A32基于ARMv8-A架構(gòu)，卻是針對32位設計的處理器。圖2介紹了Cortex-A32與ARMv8-A架構(gòu)的匹配程度，并與Cortex-A35進行了對比。

　　圖2 - Cortex-A32和ARMv8-A

　　基于上述，Cortex-A35可以實現(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;相對比，Cortex-A32僅支持32位AArch32執(zhí)行態(tài)，這一決定不僅進一步壓縮產(chǎn)品面積，對于不需要64位操作能力的用例，還可以帶來顯著的功耗優(yōu)化。無可否認，部分嵌入式應用可以從64位獲益;但許多其他應用都是32位的，將來很長一段時間市場也會依舊如此。Cortex-A32則專為這些應用程序量身打造。

　　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，使Cortex-A32與Cortex-A7和Cortex-A5相比更加高效;對基于更早ARM處理器的設計演變，或聚焦嵌入式市場的全新設計來說，都是理想的選擇。

　　對比ARMv7-A，AArch32在如下方面得到強化：

　　• 添加多項新指令，密碼函數(shù)性能提高

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

　　• 額外的標量和單指令多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(SIMD)浮點指令

　　• 更豐富的系統(tǒng)控制指令

　　對比早期的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總線接口上的高級一致性擴展(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，以實現(xiàn)更高的性能。不過，如果產(chǎn)品面積與功耗是最主要的限制因素，Cortex-A32也提供專門針對單處理器應用優(yōu)化的版本， 移除一致性邏輯，實現(xiàn)更高功效。

　　經(jīng)過大物理地址擴展(Large Physical Address Extension，LPAE)，Cortex-A32的可尋址內(nèi)存空間得到擴展，超過Cortex-A5的32位(4GB)，達到40位物理地址空間。

　　核心本身配置了額外的高級功能，進一步提高效率。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。