ARM Cortex-A32 – 复杂嵌入式设备的必然选择

　　前言

　　ARM处理器在嵌入式设备领域的应用非常广泛。其中，ARM Cortex-A处理器通常用于需要操作系统或高性能支持的应用程序;Cortex-R处理器用于实时性能要求较高的应用程序;而Cortex-M处理器则更适用于类似小型微控制器的应用程序。

　　就Cortex-M处理器核心来讲，ARM已经拥有非常丰富的产品类型。Cortex-M0是同系列的首款处理器，设计初衷是利用其小体积、低功耗的优势，满足深度嵌入、成本敏感的应用程序的要求，例如智能传感器节点。Cortex-M3处理器和Cortex-M4处理器则主要针对大众市场的微控制器。Cortex-M7处理器则是整个系列的最高端产品，性能更高，可以处理计算强度极高的工作负载，也包括信号处理。

　　基于ARMv6-M和ARMv7-M架构的Cortex-M处理器，以简单易用的编程模型，通过搭载高度可配置核心，满足多种不同设备的应用。

　　对多数嵌入式应用而言，尽管Cortex-M核心拥有简单易操作的强大优势，但仍有很多用例需要更丰富、更强大的环境。一方面，这些应用对效率和功耗依然十分敏感;但另一方面，诸如Linux或Android的操作平台依旧不可或缺。迁移至类似操作系统，应用程序即可利用规模更大、内容更丰富、设计更精致的软件生态系统。

　　Cortex-M处理器关注的重点不是运行更高层次的操作系统，因此也不需要考虑运行负责操作系统的必备功能。例如，Cortex-M没有内存管理单元(MMU)，不支持虚拟存储环境，因此也就不支持这类操作系统。如果应用程序需要更丰富的操作环境，通常第一个选择是“超高效率”的Cortex-A核心。这些核心可以为平台操作系统提供更高级的功能支持，同时保持对很高的功耗效率。上述内容代表了更先进、更灵活的编程模式

　　得益于此，ARM Cortex-A处理器在深度嵌入式应用程序中得到广泛部署;尤其是在需要Linux或其他复杂操作系统的市场中，其采纳更为普遍。

　　图1- Cortex-A处理器和架构

　　图1介绍了目前的Cortex-A处理器家族，绿色高亮的是“超高能效”核。本白皮书将重点介绍其中的最新产品Cortex-A32。

　　对希望利用复杂操作系统环境或Cortex-A系列处理器强大性能和功能的应用来讲，Cortex-A32是一款理想的入门产品。它是ARMv8-A 架构中能效最高的CPU，是可穿戴设备、物联网及富嵌入式应用的理想选择;而且尤其适合需要使用Linux等平台操作系统的应用。

　　Cortex-A32 产品介绍

　　Cortex-A32是ARM架构中独一无二的产品，拥有重要地位。Cortex-A32基于ARMv8-A架构，却是针对32位设计的处理器。图2介绍了Cortex-A32与ARMv8-A架构的匹配程度，并与Cortex-A35进行了对比。

　　图2 - Cortex-A32和ARMv8-A

　　基于上述，Cortex-A35可以实现两种执行态，分别为32位AArch32及64位AArch64，从而充分发挥ARMv8-A架构的64位操作能力;相对比，Cortex-A32仅支持32位AArch32执行态，这一决定不仅进一步压缩产品面积，对于不需要64位操作能力的用例，还可以带来显著的功耗优化。无可否认，部分嵌入式应用可以从64位获益;但许多其他应用都是32位的，将来很长一段时间市场也会依旧如此。Cortex-A32则专为这些应用程序量身打造。

　　AArch32执行态是早期Cortex-A处理器所用ARMv7-A架构的升级版。尽管不具备64位功能，但在其它某些功能却得到显著增强，使Cortex-A32与Cortex-A7和Cortex-A5相比更加高效;对基于更早ARM处理器的设计演变，或聚焦嵌入式市场的全新设计来说，都是理想的选择。

　　对比ARMv7-A，AArch32在如下方面得到强化：

　　• 添加多项新指令，密码函数性能提高

　　• 全新的负载获取及存储释放(Load Acquire and Store Release)指令，让访存排序更高效，与全新C++11访存排序语义匹配

　　• 额外的标量和单指令多数据结构(SIMD)浮点指令

　　• 更丰富的系统控制指令

　　对比早期的32位ARMv7-A处理器，Arrch32这些额外特性使其具备更佳的性能。

　　Cortex-A32总线接口上的高级一致性扩展(Advanced Coherency Extensions，ACE)使其可以利用Cortex-A32构建支持完全一致的多处理器系统，按需升级，以实现更高的性能。不过，如果产品面积与功耗是最主要的限制因素，Cortex-A32也提供专门针对单处理器应用优化的版本， 移除一致性逻辑，实现更高功效。

　　经过大物理地址扩展(Large Physical Address Extension，LPAE)，Cortex-A32的可寻址内存空间得到扩展，超过Cortex-A5的32位(4GB)，达到40位物理地址空间。

　　核心本身配置了额外的高级功能，进一步提高效率。其中包括更灵活的功耗管理、更优化的电源域和保留电源门控(retention power gating)的延伸使用。