文章目錄

前言

背景介紹

指令集架構(gòu)

ARM起源

ARM分類

Cortex-M4

內(nèi)核框架

指令流水線

實(shí)踐應(yīng)用

總結(jié)

參考資料

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前言

????????見《【研發(fā)日記】嵌入式處理器技能解鎖(一)——多任務(wù)異步執(zhí)行調(diào)度的三種方法》

????????見《【研發(fā)日記】嵌入式處理器技能解鎖(二)——TI C2000 DSP的SCI(串口)通信》

????????見《【研發(fā)日記】嵌入式處理器技能解鎖(三)——TI C2000 DSP的C28x內(nèi)核》????????

????????見《【研發(fā)日記】嵌入式處理器技能解鎖(四)——TI C2000 DSP的Memory》

????????見《【研發(fā)日記】嵌入式處理器技能解鎖(五)——TI C2000 DSP的中斷系統(tǒng)》

背景介紹

????????ARM內(nèi)核最典型的應(yīng)用就是STM32，也是ARM內(nèi)核出貨量最大，應(yīng)用最廣泛的一個(gè)地方，如下圖所示：

指令集架構(gòu)

????????理論上指令集分為復(fù)雜指令集(Complex Instruction Set Computer，CISC)和精簡(jiǎn)指令集(Reduced Instruction Set Computer，RISC)。CISC出現(xiàn)的較早，典型的代表是x86架構(gòu)。CISC里邊的每個(gè)指令通常包含多個(gè)操作（指令長(zhǎng)度在幾字節(jié)到十幾字節(jié)不等），這些操作可以在單個(gè)指令中完成，這樣就可以通過(guò)一條指令完成復(fù)雜的操作，減少了內(nèi)存訪問(wèn)次數(shù)實(shí)現(xiàn)更高的代碼執(zhí)行效率，同時(shí)也提高了代碼密度減少了軟件開發(fā)人員編寫代碼的時(shí)間和工作量。隨著技術(shù)的發(fā)展，指令數(shù)量越來(lái)越多，CISC處理器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化變得越來(lái)越困難，并且大部分的指令的使用頻率非常低，導(dǎo)致了硬件資源的浪費(fèi)。所以就出現(xiàn)了RISC，慢慢更加流行起來(lái)。RISC的特點(diǎn)是每個(gè)指令只執(zhí)行一個(gè)操作（指令長(zhǎng)度在2字節(jié)或4字節(jié)），指令數(shù)量精簡(jiǎn)掉很多，提高了處理器的可靠性。軟件開發(fā)人員組合使用這些指令，也可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能，同時(shí)也更容易對(duì)復(fù)雜操作進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

????????下面以偽匯編指令舉例，說(shuō)明一個(gè)簡(jiǎn)單加法運(yùn)算：地址[0001]的數(shù)據(jù)，和地址[0002]的數(shù)據(jù)相加，結(jié)果存到地址[0003]里。

????????ACC形式的偽匯編指令如下：

LOAD ACC [0001]  //地址[0001]的數(shù)據(jù)，加載到累加器ACCADD ACC [0002] ACC  //ACC加地址[0002]的數(shù)據(jù)，結(jié)果存到ACCSTOR ACC [0003]  //ACC的數(shù)據(jù)存到地址[0003]

????????LOAD_ STORE形式的偽匯編指令如下：

LOAD R1 [0001]    //地址[0001]的數(shù)據(jù)，加載到R1寄存器LOAD R2 [0002]    //地址[0002]的數(shù)據(jù)，加載到R2寄存器ADD R3 R1 R2       //R1+R2，結(jié)果存到R3寄存器STORE R3 [0003]   //R3寄存器的數(shù)據(jù)存到地址[0003]

????????ACC形式的微控制器只有一個(gè)ACC（累加器，ACC可以認(rèn)為是一個(gè)寄存器），數(shù)據(jù)可以直接從RAM到ACC進(jìn)行累加，但是運(yùn)算結(jié)果需要還存回RAM里，ACC才能放入新數(shù)據(jù)。運(yùn)算速度的瓶頸卡在ACC寄存器數(shù)量太少。

????????LOAD_ STORE形式的微控制器沒(méi)有ACC，而是增加了多個(gè)內(nèi)部運(yùn)算寄存器R1、R2、R3、…、R12等等，多形參函數(shù)不用反復(fù)的壓棧和出棧，降低了內(nèi)核和外部數(shù)據(jù)的耦合程度（同時(shí)也增加了調(diào)度難度）。運(yùn)算速度的瓶頸卡在LOAD環(huán)節(jié)太多。

????????總的來(lái)講CISC和RISC各有優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)處理器通常采用混合指令集?，F(xiàn)實(shí)中的嵌入式系統(tǒng)芯片大多是以RISC為主體（有利于平臺(tái)化通用化），少量補(bǔ)充一些專用CISC（有利于專項(xiàng)性能極致發(fā)揮），所以很難把一個(gè)廠商的處理器明確地劃分為CISC或者RISC。當(dāng)前影響比較大的兩類是ARM(Advanced RISC Machines)和RISC-V(Reduced Instruction Set Computer -Five)。

????????ARM是一種基于RISC架構(gòu)的處理器架構(gòu)，采用了Thumb簡(jiǎn)化指令集和Thumb-2擴(kuò)展指令集。Thumb簡(jiǎn)化指令集是一種基于RISC的指令集，指令長(zhǎng)度為16位，比原本的32位指令集要短，占用空間更小，能夠在存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)時(shí)提高效率。Thumb-2擴(kuò)展指令集則是在Thumb簡(jiǎn)化指令集的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)的，指令長(zhǎng)度包括16位和32位兩種，支持更多的指令和操作，滿足不同領(lǐng)域應(yīng)用的需求。除了RISC之外，ARM還采用了一些特殊的技術(shù)，如流水線、分支預(yù)測(cè)等，以提高指令的執(zhí)行速度和效率。ARM的部分指令集如下圖所示：

????????RISC-V是基于RISC的一個(gè)開放，免費(fèi)的指令集架構(gòu)，具有靈活、可擴(kuò)展定制、跨平臺(tái)、廣泛適用等特點(diǎn)。RISC-V指令集設(shè)計(jì)的目標(biāo)是提供一種通用的指令集架構(gòu)，適用于各種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌人式系統(tǒng)，包括高性能服務(wù)器、個(gè)人計(jì)算機(jī)、移動(dòng)設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人、汽車電子等領(lǐng)域。RISC-V包括基本指令集(RV32I、RV64I)和標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展指令集(RV32G、RV64G)，以及可選的專用擴(kuò)展指令集，如浮點(diǎn)指令集(RV32F、RV32D、RV64F、RV64D)，向量指令集(RV32V、RV64V)等，開發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際需求選擇合適的指令集。RISC-V的特性點(diǎn)決定了其在未來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和嵌人式系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)中的重要地位，是我國(guó)芯片領(lǐng)域自主創(chuàng)新的一個(gè)重要方向，以華為麒麟710、北京兆易GD32V系列為代表的國(guó)產(chǎn)RISC-V芯片，已經(jīng)開始廣泛用于各種領(lǐng)域。

????????Tips1：MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）也是采取RISC的一種指令集架構(gòu)。

????????Tips2：TI C2000 DSP的C28x內(nèi)核官方宣稱是RISC，實(shí)際上也包含了CISC。

ARM起源

????????1978年，物理學(xué)家Hermann Hauser和工程師Chris Curry在英國(guó)劍橋創(chuàng)辦了CPU(Cambridge Processing Unit)公司，主要業(yè)務(wù)是為當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)供應(yīng)電子設(shè)備。后來(lái)公司改名為ACG(Acorn Computer Group)公司。

????????1983年，ACG公司開始研發(fā)一種新的處理器架構(gòu)，命名為ARM(Advanced RISC Machine)。兩年時(shí)間就開始被應(yīng)用在自家的新一代計(jì)算機(jī)Archimedes上。

????????1990年，ACG公司正式改名為ARM計(jì)算機(jī)公司，吸引了很多大公司的投資。蘋果公司、芯片廠商VLSI公司，加上ACG本身的資金和知識(shí)產(chǎn)權(quán)，一起人股做了一家這樣的ARM計(jì)算機(jī)公司。起初由于業(yè)務(wù)不景氣，ARM公司被迫放棄自己制造芯片，把芯片的設(shè)計(jì)方案授權(quán)給其他公司來(lái)生產(chǎn)。正是因?yàn)檫@個(gè)因禍得福的模式，使ARM的芯片遍地開花。這個(gè)迫于無(wú)奈的決定，在今天看來(lái)意義非常深遠(yuǎn)，奠定了ARM公司長(zhǎng)久以來(lái)的發(fā)展模式。

????????近年來(lái)，ARM 繼續(xù)推出了一系列高性能、低功耗的處理器，如Cortex-A76、Cortex-A77和Cortex-A78等，被廣泛地應(yīng)用于智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。同時(shí)，ARM還在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域不斷進(jìn)行探索。

????????現(xiàn)在的ARM公司是全球嵌人式處理器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，在嵌入式領(lǐng)域有著巨大的影響。ARM公司基本不生產(chǎn)處理器芯片，而是專注于設(shè)計(jì)處理器內(nèi)核和架構(gòu)，然后再授權(quán)給其他芯片廠商，賺取首次的授權(quán)費(fèi)和后續(xù)銷售每顆處理器芯片的知識(shí)產(chǎn)權(quán)費(fèi)。ARM合作商遍布全球，根據(jù)ARM公司發(fā)布的數(shù)據(jù)，其處理器架構(gòu)在全球處理器市場(chǎng)份額已經(jīng)超過(guò)50%，特別是在智能手機(jī)和平板電腦等領(lǐng)域，幾乎是市場(chǎng)的獨(dú)霸者。由于ARM剛好趕上了移動(dòng)設(shè)備爆發(fā)式發(fā)展的時(shí)代，最終造就了它的輝煌。

????????未來(lái)，雖然ARM公司宣稱其基本統(tǒng)一了全球的智能手機(jī)領(lǐng)域，但在手機(jī)領(lǐng)域里并不輕松，有被邊緣化的可能性。手機(jī)行業(yè)的客戶非常強(qiáng)大又強(qiáng)勢(shì)，且客戶的研發(fā)實(shí)力更強(qiáng)，也不想受制于人，都開始著手做自己的微架構(gòu)（國(guó)內(nèi)的手機(jī)公司也準(zhǔn)備拋棄ARM公司的微架構(gòu)）。蘋果、高通等手機(jī)芯片廠家，并不采用ARM公司的微架構(gòu)，僅購(gòu)買其指令集，所以不同手機(jī)處理器廠家有不同的處理速度、擴(kuò)展硬件和擴(kuò)展指令。

????????Tips：ARM起初是一家英國(guó)公司，2016年被日本軟銀集團(tuán)收購(gòu)了，到了2020年美國(guó)NVIDIA（英偉達(dá)）想再次收購(gòu)ARM，因壟斷調(diào)查沒(méi)有成功。

ARM分類

????????ARM處理器產(chǎn)品分為傳統(tǒng)經(jīng)典系列和較新的Cortex處理器系列，并且根據(jù)應(yīng)用范圍的不同又分為應(yīng)用處理器、實(shí)時(shí)處理器、微控制處理器三種類別。如下圖所示：

????????Cortex-A系列：這是一種ARMv7、ARMv8(64位)或ARMv9(64位)版本的應(yīng)用處理器架構(gòu)，采用了超標(biāo)量流水線設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的性能和效率。適用于高性能的移動(dòng)設(shè)備、智能電視、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、云計(jì)算和服務(wù)器等場(chǎng)景。

????????Cortex-R系列：這是一種針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的ARM架構(gòu)，增加了一些安全機(jī)制，具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性和高可靠性，支持容錯(cuò)和糾錯(cuò)機(jī)制。適用于汽車、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域中的專項(xiàng)應(yīng)用，相比A系列和M系列它的市場(chǎng)應(yīng)用窄很多。

????????Cortex-M系列：這是一種專門為嵌入式系統(tǒng)和微控制器設(shè)計(jì)的ARM架構(gòu)，具有低功耗、低成本和微實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)小型、低功耗的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。適用于智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、汽車、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。Cortex-M系列逐漸有覆蓋R系列和A系列部分特性的發(fā)展趨勢(shì)，其子系列非常豐富，包括：

1、低速度和低功耗定點(diǎn)系列：MO、M0+；

2、中端定點(diǎn)系列：M3；

3、中端含有DSP功能的可選浮點(diǎn)系列：M4；

4、高端含有DSP功能的浮點(diǎn)系列：M7；

5、加人安全機(jī)制系列：M23、M33、M35P。

????????Tips：這里缺少了M1系列，因?yàn)镸1系列只適用于運(yùn)行在FPGA上，不是通用的微控制器內(nèi)核。

Cortex-M4

????????ST（意法半導(dǎo)體），由意大利和法國(guó)的兩家半導(dǎo)體公司合并而成。ST公司以STM32為前綴的32位微處理器，就是采用ARM的內(nèi)核。其中最為人熟知，最主流也是性價(jià)比最高的，就是入門級(jí)別的STM32 F1系列和中端級(jí)別STM32 F3系列。F1系列與F3系列最主要的不同之處就是，Cortex-M4比Cortex-M3多了浮點(diǎn)處理單元和DSP單元，如下圖所示：

????????DSP(Digital Signal Process)特性：

Single-cycle 16/32-bit MAC(Combined Multiply and Accumulate);

Single-cycle dual 16-bit MAC;

8/16-bit SIMD(Single Instruction, Multiple Data) arithmetic;

Hardware support for conversion, addition, subtraction, multiplication with optional accumulate, division(2-12 cycles), and square root;

????????FPU(Floating-Point Unit)特性：

Optional single precision floating point unit;

IEEE 754 compliant;

內(nèi)核框架

????????Cortex-M4的內(nèi)核框架如下圖所示：

指令流水線

????????Cortex-M4采用3級(jí)Pipeline（流水線）如下圖所示：

實(shí)踐應(yīng)用

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總結(jié)

一個(gè)處理器要向更高性能升級(jí)，常用的主要途徑是：

1、采用更先進(jìn)的nm制程工藝水平；

2、降低內(nèi)核電壓，從而降低功耗獲得更快的工作頻率；

3、增加多級(jí)流水線；

4、多核，但也帶來(lái)代碼復(fù)雜性的急劇上升；

5、增加更寬的位數(shù)，從而一次性處理多個(gè)數(shù)據(jù),即單指令多數(shù)據(jù)流(SIMD)；

6、添加新的獨(dú)立硬件單元，并添加新指令。與此同時(shí)，仍要保持系統(tǒng)的向下兼容性，保留原先大多數(shù)的舊指令。

????????隨著指令的增加，要保持系統(tǒng)仍是精簡(jiǎn)指令集，是一件困難的事情。有程序員感嘆：這個(gè)世界到底有沒(méi)有指令很少的精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng)?雖然多數(shù)書籍時(shí)髦的人云亦云地說(shuō)，RISC架構(gòu)的指令更少，實(shí)際上不斷增長(zhǎng)的ARM指令非常多，絕對(duì)不比CISC指令少。

????????以上就是本人在研發(fā)中使用ARM Cortex-M4處理器時(shí)，一些個(gè)人理解和分析的總結(jié)，主要介紹了ARM的起源和發(fā)展，展示了ARM Cortex-M4內(nèi)核的工作原理，并分析了它的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

????????后續(xù)還會(huì)分享另外幾個(gè)最近解鎖的嵌入式處理器新技能，歡迎評(píng)論區(qū)留言、點(diǎn)贊、收藏和關(guān)注，這些鼓勵(lì)和支持都將成文本人持續(xù)分享的動(dòng)力。

????????另外，上述例程使用的Demo工程，可以到筆者的主頁(yè)查找和下載。

參考資料

????????Arm-Cortex-M4-Processor-Datasheet.pdf

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