选择最适处理器核心架构　嵌入式应用提高性价比

　　现阶段半导体晶片商多采用ARM的处理器核心，来制造旗下处理器或微控制器等产品。ARM的核心可分为A、R、M三个系列，各有不同性能，因此晶片商也须依各自瞄准的市场、功耗需求和作业系统等差异，来选择较适合的核心，藉以制造性价比佳的产品。

　　现今嵌入式应用内须用到诸多处理器，因此半导体厂商也积极投入布局，举例来说安谋国际(ARM)的处理器便广泛应用于嵌入式领域。ARM Cortex-A系列处理器经常使用在需要多功能作业系统(Rich OS)或高效能的应用中，Cortex-R系列处理器拥有较佳的即时效能，Cortex-M系列处理器则用于微控制器等类型的小型应用。

　　目前采用Cortex-M的产品范围涵盖非常多样化的选项，从外型设计小巧、功耗低的Cortex-M0，其使用在深层嵌入、对成本敏感的应用如智慧型感测器节点上，到应用在大众市场的微控制器的Cortex-M3及Cortex-M4。最佳的则是Cortex-M7，其具备更高的效能，可以执行密集运算的工作负载，像是讯号处理等。

　　Cortex-M处理器采用的ARMv6-M和ARMv7-M架构，是更为简易且逻辑化的程式设计模型，专为简易使用所设计。处理器核心本身在设定上较弹性，能够用于更多样化的实作。

　　虽然Cortex-M核心的简易性对大部分的嵌入式应用来说是较佳的优势，但仍有其他应用需要更多功能、效能更高的环境。此类应用同样重视效率和耗电量，且经常需要Linux或Android等类型的平台作业系统。采用此类型的作业系统，则能够使用应用范围更广、更具多功能且复杂的软体生态系统，开发新的契机。

　　Cortex-M处理器的设计并非针对这些高阶的作业系统，因此未包含其所需要的特定必要功能。举例来说，这些处理器未具备记忆体管理单元(MMU)，在无法支援虚拟记忆体环境的情况下，当然也就不支援这一类的作业系统。若某项应用需要更多功能的作业环境，首选的通常是较高效率的Cortex-A核心。这些核心提供平台作业系统所需的较进阶功能，同时仍相当重视功耗，整体来说是更为高阶且弹性化的程式设计模型。

　　有鉴于此，ARM Cortex-A处理器多部署于各种深度嵌入的应用，尤其是在需要Linux或其他多功能作业系统的市场。

　　图1显示Cortex-A处理器目前的应用范围，重点在于其中的较低功耗核心。本文以此一系列中的最新型Cortex-A32处理器为主。

　　图1　Cortex-A处理器与架构

　　Cortex-A32是进入Cortex-A系列较理想的入门款，可用于需要多功能作业系统环境，或从Cortex-A处理器所提供的效能及功能中获益的应用。该处理器为目前拥有低功耗的ARMv8-A处理器，为穿戴式装置、物联网(IoT)和多功能嵌入式应用，尤其是需要Linux这一类平台作业系统之应用的较佳选择。

　　抢攻32位元运算市场　A系列新处理器功耗更低

　　Cortex-A32在ARM架构中扮演着独特的角色。其采用ARMv8-A架构，但仅支援32位元的运算。图2显示Cortex-A32如何融入ARMv8-A架构设定，以及与Cortex-A35的差异。

　　图2　Cortex-A32与Cortex-A35比较

　　Cortex-A35同时采用32位元的AArch32和64位元的AArch64两种执行状态，能够完整提供ARMv8-A架构的64位元功能。另一方面，Cortex-A32则只采用32位元的AArch32执行状态。移除了64位元的功能以后，不仅体积缩减，对于不需要64位元功能的使用来说，更能降低其功耗。尽管嵌入式领域中有许多应用都可从64位元的执行中获益，但有许多仍着重在32位元，且将在可预见的未来保持现况，而这些应用便是Cortex-A32的目标市场。

　　AArch32执行状态为更早期的Cortex-A处理器所采用的ARMv7-A架构的进化版。据了解，Cortex-A32即使不具备64位元的功能，但仍提供某些重要的强化，因此功耗还是优于Cortex-A7和Cortex-A5。

　　此外，对于仍采用这些旧版ARM处理器的延伸设计，或以此相同市场为目标的新设计而言，Cortex-A32仍是理想选择。

　　AArch32优于ARMv7-A的特点包括：

　　.新增许多新指令，加密演算功能效能更佳

　　.新加入Load Acquire和Store Release指令，提供更有效率的记忆体排序功能，符合最新的C++11记忆体排序语法

　　.额外的纯量与SIMD浮点指令

　　.广泛的系统控制指令

　　这些额外功能提供更佳的效能，更胜旧版32位元ARMv7-A处理器。

　　Cortex-A32汇流排介面加入了先进同步扩展(ACE)，因此能通过Cortex-A32来建构完全同步的多重处理系统，提高所需要的更高效能。

　　假如空间或耗电量为主要的限制，Cortex-A32也有变体版本，特别针对单处理器应用最佳化，省略互连逻辑，以节省更多的功耗。

　　Cortex-A32透过Large Physical Address Extension(LPAE)扩大了定址实体记忆体空间，超越Cortex-A5所提供的32位元(4GB)空间，可提供40位元定址空间。

　　核心本身也整合其他多项有助于改善功耗的进阶功能，包括更弹性化的电源管理、更细微分布的电力区域，并使用保存功率闸级。

　　ARMv7-M与ARMv8-A AArch32架构比较

　　下文将比较ARMv7-M与ARMv8-A AArch32的架构特色与差异。

　　ARMv7-M架构特色

　　ARM Cortex-M处理器系采用ARMv7-M架构设定，Cortex-M0和Cortex-M0+则采用类似的ARMv6-M架构。

　　此架构与先前的ARM架构有许多共同的特色，且经过特殊设计，以支援深层嵌入、低成本的即时微控制器应用。所以移除了旧架构的许多功能，但也加入新功能，制造出一个更像类微控制器的程式设计模型。

　　举体来说，从旧型处理器(像是常见的ARM7TDMI)的变动可总结如下：

　　.作业模式的数量从七个以上大幅减少到两个：Handler模式和Thread模式。其中一项模式(Handler模式)具选择性优先权限。

　　.暂存器档经过简化。虽然开放供程式设计人员使用的暂存器基本上仍同样是十六个，旧型架构中所用的备份暂存器复制机制也大幅减少，因此只有Stack Pointer(r13)会在两个作业模式中加以暂存。备份暂存器为选择性使用，甚至可以省略。

　　.最大的变动在于异常模式。由于一般的微控制器应用可能会有大量的晶片周边中断，所以标准的巢状向量中断控制器(Nested Vectored Interrupt Controller, NVIC)规格会包含在架构中，所有的Cortex-M核心均包含该规格。同样地，异常处理模式已在包含处理常式位址的向量表上加以标准化。内容的储存与回复作业完全在硬体上实作，简化写入中断处理的软体工作，如此可在实作时达到非常低且可预测的中断延迟时间。

　　.ARMv7-M定义选择性的记忆体保护架构，该架构与某些旧型ARM处理器所用的架构类似。裸机系统或在即时作业系统(RTOS)下运作的系统由于通常不需要虚拟记忆体，因此不支援虚拟记忆体。

　　.为支援各种即时作业系统的运作和执行，有些标准的晶片周边也会在架构中加以定义，如SysTick Timer。

　　.为缩小处理器核心的大小，ARMv7-M处理器的运行限缩到只有Thumb指令集(包含Thumb-2延伸)，仅执行最小的子集，进而实现最小的核心。

　　ARMv8-A AArch32特色

　　Cortex-A处理器采用ARMv7-A或ARMv8-A架构设定。ARMv8-A处理器提供AArch32执行状态，为32位元ARMv7-A架构的向下相容演化版。这些架构可实现专门设计用来支援Linux、Android、Windows等平台作业系统的功能，而这些系统需要虚拟记忆体环境。

　　其与Cortex-M处理器核心截然不同的特定功能包括：

　　.有七个以上的作业模式：User、Supervisor、阻断要求(IRQ)、快速中断(Fast Interrupt, FIQ)、Undefined、Abort、System。每一模式皆用于处理特定类型事件(例如IRQ模式便是设计用于处理IRQ中断)。AArch32亦支援Hyp和Monitor这两个额外的模式，这两个模式分别用于虚拟化及ARM TrustZone技术。

　　.除了可用的登录数量相同(16)，AArch32还有许多与上述作业模式相关的“备份”暂存器。进入相关的作业模式时，这些暂存器将取代User模式下的暂存器。如此可简化许多异常处理工作，但也表示机器的管理和初始化工作将增加。

　　.其异常模式极为不同，其原型存在于最早的ARM架构装置中。具体来说，向量表包含一组可执行的指令集，而不是位址，且内容的储存与回复Restore工作几乎完全交给程式设计人员执行。

　　.最大的差异是加入了记忆体管理单元，可执行核心所核发之虚拟位址，以及记忆体系统所需要的实体位址间的转译。如此便能实作完全的随选分页虚拟记忆体环境，以供Linux等平台作业系统使用。

　　ARMv7-M与AArch32的差异

　　从采用Cortex-M处理器的系统转换到采用Cortex-A32处理器时，有许多新功能值得关注。

　　虽然这两种架构有许多类似之处(如备份暂存器和指令集之间有许多相同点)，但重要的是ARMv8-A架构的AArch32执行状态所含的许多功能，均是以旧型架构的功能为基础。

　　接下来说明AArch32所具备，但为ARMv7-M所无或差异极大的功能。

　　作业模式

　　如图3所示，ARMv7-M只定义两个作业模式：Thread模式与Handler模式。若无需要，Handler模式可选择性取消优先权限，虽然这项功能未必须要在软体内使用。Handler模式适用于处理异常，Thread模式则用于使用者处理程序。这两个模式转换基本上是自动的，会在特定事件下发生，如图3所示。例如，发生异常时会自动进入Handler模式，异常处理完成时则会退出Handler模式。SVCall指令为主要的方法，软体用其来进入Handler模式(也可将启用的IRQ设定为待处理状态，以执行Handler)。

　　图3　ARMv7-M作业模式

　　图4则显示AArch32执行状态支援的作业模式。与ARMv7-M相较，AArch32有七个基本模式，其中五个指定用于处理特定异常。例如，取得FIQ异常时会进入FIQ模式;若发生未定义指令等情形，会进入Undef模式。

　　图4　AArch32作业模式

　　模式的转换通常为自动发生，但也可在Current Program Status Register(CPSR)中写入Mode栏位，用软体控制来完整切换模式。其细节描述如下。与SVCall指令类似，SVC指令用于让软体引发SVC异常并进入SVC模式。

　　图4中未显示AArch32所支援的另两个模式(为节省空间)，也就是Hyp模式(用于Hypervisor)与Monitor模式(用于TrustZone安全性)。相关主题较为复杂，本文不予讨论。