Cortex系列ARM核心及體系結構介紹

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峻的考驗，最典型的例子就是伴隨3G網(wǎng)絡的推廣，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。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，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架構特點

下表列出了ARM微處理器核心以及體系結構的發(fā)展歷史：

表一: ARM微處理器核心以及體系結構的發(fā)展歷史

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

ARMv7架構是在ARMv6架構的基礎上誕生的。該架構采用了Thumb-2技術，Thumb-2技術是在ARM的Thumb代碼壓縮技術的基礎上發(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技術的解決方案高出38％的性能。ARMv7架構還采用了NEON技術，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、游戲物理應用以及傳統(tǒng)嵌入式控制應用的需求。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)技術的使用。另外，ARMv7架構對于早期的ARM處理器軟件也提供很好的兼容性。

ARMv7架構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)和用戶應用；“R”系列針對實時系統(tǒng)；“M”系列對微控制器和低成本應用提供優(yōu)化。下圖為v5至v7架構比較：

圖一：v5至v7架構比較

由于應用領域不同，基于v7架構的Cortex處理器系列所采用的技術也不相同，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構架的應用處理器。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備的需求，其功耗低于300毫瓦，而性能卻高達2000MIPS。

Cortex-A8也是ARM公司第一款超級標量處理器。在該處理器的設計當中，采用了新的技術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。同時，還采用了Jazelle RCT技術，可以支持JAVA程序的預編譯與實時編譯。

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處理器使用了先進的分支預測技術，并且具有專用的NEON整型和浮點型流水線進行媒體和信號處理。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1 GHz，能夠滿足高性能消費產(chǎn)品設計的需要。

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

更詳細的框圖如下：

圖三：Cortex-A8的詳細系統(tǒng)框圖

三．Cortex-R4

Cortex-R4是ARM開發(fā)的超標量結構的ARM內(nèi)核，主要面向?qū)崟r控制領域，如汽車剎車控制等，這一領域要求處理器響應中斷的實時性高，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，而且時鐘樹的設計也更為復雜。結果，判斷合理的做法就是采用超標量結構，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用(如微控制器、汽車車身控制系統(tǒng)和各種大型家電)所設計的，主要面向單片機領域，可以說是51單品機的完美替代品。
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處理器結合了執(zhí)行Thumb-2指令的32位哈佛微體系結構和系統(tǒng)外設，包括Nested Vec-tored Interrupt Controller和Arbiter總線。該技術方案在測試和實例應用中表現(xiàn)出較高的性能：在臺機電180 nm工藝下，芯片性能達1.2 DMIPS／MHz，時鐘頻率高達100 MHz。

在工控領域，用戶要求具有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術，完全基于硬件進行中斷處理，最多可減少12個時鐘周期數(shù)，在實際應用中可減少 70%中斷。

五．總結