Cortex系列ARM內核介紹

眾所周知，英國的ARM公司是嵌入式微處理器世界當中的佼佼者。ARM一直以來(lái)都是自己研發(fā)微處理器內核架構，然后將這些架構的知識產(chǎn)權授權給各個(gè)芯片廠(chǎng)商，精簡(jiǎn)的CPU架構，高效的處理能力以及成功的商業(yè)模式讓ARM公司獲得了巨大的成功，使他迅速占據了32位嵌入式微處理器的大部分市場(chǎng)份額，甚至現在，ARM芯片在上網(wǎng)本市場(chǎng)的也大有與INTEL的ATOM處理器一較高低的實(shí)力。

目前，隨著(zhù)對嵌入式系統的要求越來(lái)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(luò )的推廣，對手機的本地處理能力要求很高，現在一個(gè)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(chǎng)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(yǔ)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(diǎn)

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A(yíng)RMv7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A(yíng)RMv6架構的基礎上誕生的。該架構采用了Thumb-2技術(shù)，Thumb-2技術(shù)是在A(yíng)RM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎上發(fā)展起來(lái)的，并且保持了對現存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術(shù)比純32位代碼少使用 31%的內存，減小了系統開(kāi)銷(xiāo)。同時(shí)能夠提供比已有的基于Thumb技術(shù)的解決方案高出38%的性能。ARMv7架構還采用了NEON技術(shù)，將DSP和媒體處理能力提高了近4倍，并支持改良的浮點(diǎn)運算，滿(mǎn)足下一代3D圖形、游戲物理應用以及傳統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(shù)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存的操作系統和用戶(hù)應用;“R”系列針對實(shí)時(shí)系統;“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(lǐng)域不同，基于v7架構的Cortex處理器系列所采用的技術(shù)也不相同，基于v7A的稱(chēng)為Cortex-A系列，基于v7R的稱(chēng)為Cortex-R系列，基于v7M的稱(chēng)為Cortex-M系列。下面一一介紹。

二.Cortex-A8

Cortex-A8第一款基于A(yíng)RMv7構架的應用處理器。Cortex-A8是ARM公司有史以來(lái)性能最強勁的一款處理器，主頻為600MHz到1GHz。A8可以滿(mǎn)足各種移動(dòng)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(shù)以提高代碼效率和性能，采用了專(zhuān)門(mén)針對多媒體和信號處理的NEON技術(shù)。同時(shí)，還采用了Jazelle RCT技術(shù)，可以支持JAVA程序的預編譯與實(shí)時(shí)編譯。

針對Cortex-A8，ARM公司專(zhuān)門(mén)提供了新的函數庫(Artisan Advantage-CE)。新的庫函數可以有效的提高異常處理的速度并降低功耗。同時(shí)，新的庫函數還提供了高級內存泄漏控制機制。

Cortex-A8處理器使用了先進(jìn)的分支預測技術(shù)，并且具有專(zhuān)用的NEON整型和浮點(diǎn)型流水線(xiàn)進(jìn)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(shù)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(mǎn)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(lái)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內核的芯片。

Cortex-A8的系統框圖如下：

圖二：Cortex-A8的系統框圖

更詳細的框圖如下：

圖三：Cortex-A8的詳細系統框圖

三.Cortex-R4

Cortex-R4是ARM開(kāi)發(fā)的超標量結構的ARM內核，主要面向實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，如汽車(chē)剎車(chē)控制等，這一領(lǐng)域要求處理器響應中斷的實(shí)時(shí)性高，并且要盡可能的節約成本，而很多客戶(hù)要求不需過(guò)多提高工作頻率，就能提高運算性能，因此在Cortex-R4的設計過(guò)程中，工作頻率的最佳點(diǎn)位是300MHz。再高的話(huà)，不僅需要高速內存，而且時(shí)鐘樹(shù)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，增加單位周期所執行的指令平均數。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電路規模只是比ARM9略有增加，但是可以實(shí)現更接近于Cortex-A8的運算性能。

Cortex-R4系統框圖如下所示：

圖四：Cortex-R3系統框圖

四.Cortex-M3

ARM Cortex-M系列則是為那些對開(kāi)發(fā)費用非常敏感同時(shí)對性能要求小斷增加的嵌入式應用(如微控制器、汽車(chē)車(chē)身控制系統和各種大型家電)所設計的，主要面向單片機領(lǐng)域，可以說(shuō)是51單品機的完美替代品。