ARM Cortex-A32 – 復雜嵌入式設備的必然選擇

　　架構對比

　　M 主要特性

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

　　對比前代處理器(例如備受歡迎的ARM7TDMI)，變化具體如下：

　　• 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)可以默認為優(yōu)先采用。

　　• 寄存器文件簡化。雖然編程器可用的寄存器數(shù)量實質(zhì)上仍然是16個，但前代架構使用的分組寄存器機制明顯減少，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置。

　　• 異常模式的變化最為明顯。由于典型的微控制器應用可能會出現(xiàn)大量的芯片外設中斷，基于此，全新架構中的所有Cortex-M核心都配置了標準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準化。上下文保存和恢復操作完全在硬件中實現(xiàn)，進一步簡化編寫中斷處理器的軟件任務。基于上述，實現(xiàn)過程中的干擾性延遲發(fā)生幾率被降到極低，且高度可預測。

　　• 與前代ARM處理器類似，ARMv7-M定義了可選內(nèi)存保護架構。同時，因為裸金屬系統(tǒng)或在實時操作系統(tǒng)(RTOS)下運行的系統(tǒng)通常不需要虛擬內(nèi)存，ARMv7-M并不為其提供支持。

　　• 為協(xié)助實時操作系統(tǒng)(RTOS)的實現(xiàn)和移植，一些標準的片上外圍設備也在架構中獲得定義，例如SysTick timer。

　　• 為進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指令集擴展)。

　　ARMv8-A AArch32 主要特性

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

　　對比Cortex-M處理器核心，Cortex-A獨特之處包括：

　　• 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。

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

　　• 異常模式有顯著差別，與最初的ARM架構設備一脈相承。具體來說，向量表是由一組可執(zhí)行的指令組成，而不是地址，并且保存和恢復上下文的任務幾乎完全由編程器承擔。

　　• 還有一個重要差別是內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit ，MMU)，內(nèi)存管理單元會編譯核心提交的虛擬地址以及存儲系統(tǒng)需要的物理地址。針對Linux一樣的平臺操作系統(tǒng)所使用的完整需求分頁虛擬存儲器環(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，許多新特性也有必要了解。

　　盡管這兩種架構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，ARMv8-A架構在AArch32執(zhí)行態(tài)下的許多特性是基于早期架構的。

　　本節(jié)將詳細介紹AArch32的特性。這些特性在ARMv7-M中不具備，或者實現(xiàn)方式極其不同。

　　操作模式

　　如圖3所示，ARMv7-M僅定義兩種操作模式，線程模式與處理器模式。處理器模式可以設置為普通模式，也就是說，在不需要時，軟件可以不啟用該特性。處理器模式主要被用于處理異常情況，線性模式則用于用戶進程。模式間的轉化基本上是自動的，發(fā)生條件如圖所示。如異常情況發(fā)生，處理器模式自動啟用，異常處理完成后，處理器模式自動退出。SVCall指令是軟件進入處理器模式的主要方法(將啟動的IRQ設定為未決，可令處理器執(zhí)行異常操作)。

　　對比圖4，圖3顯示的是AArch32執(zhí)行態(tài)下支持的操作模式。基本的操作模式有七種，其中五種用于處理特定異常。如發(fā)生快速中斷(Fast Interrupt，F(xiàn)IQ)異常，則會進入FIQ模式;如出現(xiàn)未定義指令，則進入Undef模式，諸如此類。

　　模式間的轉換通常自動執(zhí)行，但是如果在現(xiàn)程序狀態(tài)寄存器(Current Program Status Register，CPSR)中寫入模式字段，則可完全由軟件控制進行模式轉換，具體細節(jié)稍后再做說明。與SVCall指令類似，SVC指令可以支持軟件處理SVC異常，并進入SVC模式。

　　AArch32還支持其他兩種模式，但未在圖中顯示(僅為節(jié)省版面空間)。它們分別是Hyp模式(用于管理程序)和監(jiān)控模式(用于TrustZone)。由于內(nèi)容復雜，本文件暫不涉及。

　　圖3- ARMv7-M操作模式

　　圖4- AArch32操作模式

　　寄存器組

　　圖5及圖6分別介紹了ARMv7-M 和 AArch32寄存器組。

　　從圖中可以看出，兩種寄存器有許多相似之處，這是因為兩者皆承襲了ARMv6及早期架構的共同特性。

　　多數(shù)指令可以訪問13個通用寄存器(r0至r12)。兩種架構下，r13預設為棧指針(SP)，r14預設為連接寄存器(LR)，r15預設為程序計數(shù)器(PC)。ARMv7-M架構下，訪問專用寄存器受到嚴格限制;AArch32下，可以用與其他通用寄存器相同的方式訪問這些寄存器;不過無需多言，擅自修改PC值可能會產(chǎn)生不良后果!

　　圖5- ARMv7-M寄存器組

　　圖6- AArch32寄存器組

　　ARMv7-M是一小組其他專用寄存器，包括PRIMASK、FAULTMASK、xPSR、CONTROL及BASEPRI，用于控制、配置處理器及處理異常情況。

　　指令集

　　如圖6所示，AArch32還有一些與特定操作模式相關的寄存器。如進入對應的模式下，這些寄存器會與相應的用戶模式切換。只有極少數(shù)特殊指令能夠訪問，并且還無法直接訪問。這些數(shù)值隨著模式變化被保存，以輔助異常處理。特別值得指出的是，每種異常模式都對應獨立的棧指針，從而能夠在單獨堆棧上解決每個異常狀況。這就讓異常處理程序更可靠、防御性更強。異常出現(xiàn)后，相關模式的連接寄存器會被設定為異常返回地址。

　　如圖所示，每種異常模式都對應一個附加寄存器，即程序保護狀態(tài)寄存器(SPSR)。程序保護狀態(tài)寄存器用于出現(xiàn)異常時及時記錄當前的程序狀態(tài)寄存器數(shù)值以及LR，從而自動保存相關數(shù)據(jù)。

　　另外，AArch32的圖示中未顯示Mon與Hyp模式。與其他模式一樣，它們分別支持R13與R14分組寄存器。

　　Cortex-A架構下，有一個與ARM NEON SIMD指令集相關的獨立寄存器組(如下)，包含32個128位寬寄存器。每個寄存器都可作為單字、雙字或四倍字尋址，NEON指令集也支持依據(jù)字節(jié)或四倍字進行向量運算。

　　異常模型

　　上述兩個架構的異常模型具有顯著差異，但兩者都支持因系統(tǒng)事件或外圍中斷引起的內(nèi)部及外部異常。

　　ARMv7-M支持與傳統(tǒng)微控制器上發(fā)現(xiàn)的異常更相近的模型，所有外部中斷都通過含有處理器地址的向量表單獨進行向量處理。

　　AArch32與早期ARM架構中的異常模型更相近，早期的ARM架構中僅有8種異常類型，向量也各不相同。向量表由可執(zhí)行指令組成，通常是特定異常處理器的分支指令。僅支持兩種外部中斷源，即FIQ和IRQ。通常，一個高優(yōu)先級中斷會連接FIQ，其他則連接IRQ。這意味著系統(tǒng)要么裝有軟件調(diào)度程序，要么就要和現(xiàn)代系統(tǒng)一樣裝有中斷向量控制器(Vectored Interrupt Controller，VIC)，可以利用單一向量地址進行編程。

　　多數(shù)Cortex-A系統(tǒng)裝有基于ARM的通用中斷控制器(Generic Interrupt Controller，GIC)。GIC是許多物理中斷和ARM核心中斷輸入(FIQ和IRQ)的接口，處理優(yōu)先次序、遮蔽、單一中斷啟用或禁止，及優(yōu)先權。欲了解更多信息，請參考《GIC架構參考手冊》。

　　指令集

　　自25年前ARM1的誕生起，ARM指令集便不斷演變。Cortex-A處理器實際支持兩個指令集，每個指令集都有各自的擴展。

　　ARM指令集

　　ARM指令集基于首款ARM處理器支持的原始指令集。該指令集已經(jīng)過了數(shù)次擴展。簡而言之，這是一個負載-存儲指令集，擁有不同指令組，主要用于數(shù)據(jù)處理、存儲訪問、系統(tǒng)控制和控制流程?，F(xiàn)代的ARM指令集非常強大，適用范圍非常廣泛。在指令集內(nèi)，所有指令被編碼為32位固定長度的字，并且必須與字邊界一致。

　　Thumb指令集

　　Thumb指令集是ARM指令集的子集，其中每個指令被編碼為16位半字，并且必須與半字邊界一致。Thumb指令集最初的依據(jù)是，在編譯高級語言(如C語言)時，減小最常用的指令的大小，從而提高代碼密度。由于指令越小，會有更多指令可以匯集在給定的高速緩存，對運行指令的高速緩存就越有利。

　　高級SIMD擴展

　　高級SIMD擴展也被稱為NEON，是一組龐大的指令集，通過擴充寄存器集實現(xiàn)SIMD向量處理能力。

　　向量浮點(VFP)

　　VFP指令集實用與NEON的相同的寄存器分組，是符合IEEE-754單、雙精度浮點的運算指令。

　　Thumb-2技術

　　Thumb-2是一個擴展集的總稱，起初為ARMv6T2(第一款，使用ARM1156T2-S處理器)的Thumb指令集。由此生成一個混合長度指令集，同時具備Thumb的高代碼密度和ARM指令集的高性能和高靈活性。

　　如果使用過Cortex-M微控制器，您一定會對Thumb-2非常熟悉。在最小(Cortex-M0和Cortex-M0+)到最大(Cortex-M7中)的各種子集中，核心僅支持Thumb-2。你會發(fā)現(xiàn)，使用Cortex-A處理器可以生成更多的代碼。

　　一般來說，為Cortex-A編譯的大部分高級代碼都是針對Thumb(及Thumb-2)的。這使編譯器能夠在最大程度上做出明智的判斷，從多種選擇中選取需要的指令，并實現(xiàn)代碼空間編譯和性能編譯之間的差異最大化。

　　ARM指令集通常被用于代碼段，性能至關重要。有時，這些代碼段需要通過手工在匯編器上編碼，ARM指令集也因此成為最佳選擇。

　　NEON指令集可通過多種方式訪問：

　　• 支持常用數(shù)學、分析函數(shù)和算法的庫。

　　• 編譯器可以為多種內(nèi)在函數(shù)集提供支持，允許直接使用C語言訪問幾乎整個NEON指令集。通過這種方法，可以用最簡便的方式將NEON操作插入C語言。

　　• 可以直接在匯編器上手工實現(xiàn)NEON。

　　• 編譯器還支持迭代循環(huán)的自動向量化。將代碼寫入一些簡單指令，編譯器會非常有效地展開極其復雜的循環(huán)，并進行向量化。

　　如果對ARMv7-A處理器很熟悉，您還會注意到作為ARMv8-A也在使用的一些其它指令。

　　加密擴展

　　這些是ARMv8-A中的新指令，運行在NEON寄存器組，旨在有效地執(zhí)行密碼函數(shù)的算法。

　　負載獲取和存儲釋放(Load Acquire and Store Release)

　　這些新指令匹配C++11訪存排序語義，編譯非常高效。它們還可用于降低對數(shù)據(jù)端內(nèi)存屏障的需求，部分消除與其有關的能耗支出。

　　另外，還有其它一些浮點和屏障指令的擴展。

　　虛擬內(nèi)存支持

　　支持完全虛擬內(nèi)存環(huán)境是ARMv8-A的一個主要特性，使設備可以支持Linux和Android等平臺操作系統(tǒng)。同樣，虛擬內(nèi)存能力通常也是客戶選擇核心的重要依據(jù)。

　　虛擬內(nèi)存環(huán)境使操作系統(tǒng)能夠以更加靈活的方式管理內(nèi)存，例如，允許單獨處理動態(tài)擴展棧區(qū)域，按照需求將單個代碼和數(shù)據(jù)區(qū)域調(diào)入和調(diào)出外部存儲頁面，并使每個用戶處理系統(tǒng)內(nèi)存映射的相同視圖。

　　圖7-虛擬內(nèi)存

　　為此，如圖7所示，虛擬內(nèi)存在處理器提供的每個地址上進行“轉換”。軟件在“虛擬地址空間”和稱為內(nèi)存管理單元(Memory Management Unit，MMU)的模塊中運行，并將其轉換為“物理地址空間”，為系統(tǒng)中的每個用戶任務以及操作系統(tǒng)本身創(chuàng)建新的虛擬內(nèi)存映射，還使操作系統(tǒng)完全控制訪問權限等。每項任務都可以在自身的虛擬內(nèi)存空間中執(zhí)行，就像是系統(tǒng)中的唯一任務。只有操作系統(tǒng)知道外部物理內(nèi)存中該任務的代碼和數(shù)據(jù)區(qū)域的真實物理位置。

　　任務切換時，操作系統(tǒng)的其中一項工作就是重新配置MMU，使代碼和數(shù)據(jù)能被輸入任務使用，同時讓輸出任務的存儲器可以暫時訪問。這進一步增強了任務之間的分離，構建安全可靠的系統(tǒng)。

　　這里我們不再深入研究所有細節(jié)。簡而言之，ARM處理器的MMU使用了“頁面表”(外部存儲器中)的數(shù)據(jù)，驅(qū)動并控制轉換。系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過一系列優(yōu)化(如轉換查找緩沖器(TLBs)，緩存通過轉換降低讀取頁面表的功耗)，讓轉換過程的功耗降到最低。

　　軟件從 ARMv7-M 移植到 ARMv7-A

　　大多數(shù)高級軟件在移植前需要經(jīng)過重新編譯。需要注意以下方面：

　　• 重置代碼和其他異常處理程序

　　如果使用操作系統(tǒng)，那么操作系統(tǒng)提供會進行處理;多數(shù)情況下，可以通過公共域分布或設備供應商獲取操作系統(tǒng)的端口。

　　由于異常模式的顯著差異，中斷處理器需要重寫。此外，操作系統(tǒng)會提供完成這項任務應遵循的基礎結構，從而完成中斷處理器主體的重新編譯。

　　• 外圍驅(qū)動器

　　如果從RTOS轉移到例如Linux的平臺操作系統(tǒng)，應用程序代碼和外圍驅(qū)動器需要嚴格劃分。

　　• 系統(tǒng)配置功能

　　基于Cortex-M 和Cortex-A的設備訪問系統(tǒng)配置和控制功能的方式具有明顯差異。Cortex-M處理器通常通過已命名或內(nèi)存映射的寄存器進行配置，這些寄存器可以直接讀取和寫入。Cortex-A處理器(Cortex-A32支持的AArch32執(zhí)行態(tài))則通過“系統(tǒng)控制協(xié)處理器”得以實現(xiàn)。“協(xié)處理器15”配有大型配置寄存器組，這些寄存器大量使用專用指令讀取或?qū)懭?參考說明文件中的MRC 和 MCR)。操作系統(tǒng)未執(zhí)行的系統(tǒng)配置功能將需要重新寫入。也就是說，操作系統(tǒng)通常會向用戶軟件提供API的訪問功能。

　　• 匯編碼

　　對于匯編碼，我們需要仔細留意。寫入?yún)R編碼的一個重要原因是實現(xiàn)性能最大化，所以要嚴格檢查，確保重寫后擴展指令集訪問性能得到提升，NEON就是一個例子。如果已經(jīng)用“統(tǒng)一匯編語言”語法(UAL)寫入了舊的匯編碼，那么就需要將大部分內(nèi)容重新匯編為ARM或Thumb指令。