詳解ARM Cortex-A32處理器 打造超高能效嵌入式環(huán)境

Cortex-A32是ARM架構中獨一無(wú)二的產(chǎn)品，擁有重要地位。Cortex-A32基于ARMv8-A架構，卻是針對32位設計的處理器。下圖介紹了Cortex-A32與ARMv8-A架構的匹配程度，并與Cortex-A35進(jìn)行了對比。

圖一：Cortex-A32和ARMv8-A

基于上述，Cortex-A35可以實(shí)現兩種執行態(tài)，分別為32位AArch32及64位AArch64，從而充分發(fā)揮ARMv8-A架構的64位操作能力;相對比，Cortex-A32僅支持32位AArch32執行態(tài)，這一決定不僅進(jìn)一步壓縮產(chǎn)品面積，對于不需要64位操作能力的用例，還可以帶來(lái)顯著(zhù)的功耗優(yōu)化。

無(wú)可否認，部分嵌入式應用可以從64位獲益，但許多其他應用都是32位的，將來(lái)很長(cháng)一段時(shí)間市場(chǎng)也會(huì )依舊如此，Cortex-A32則專(zhuān)為這些應用程序量身打造。

AArch32執行態(tài)是早期Cortex-A處理器所用ARMv7-A架構的升級版。盡管不具備64位功能，但在其它某些功能卻得到顯著(zhù)增強，使 Cortex-A32與Cortex-A7和Cortex-A5相比更加高效;對基于更早ARM處理器的設計演變，或聚焦嵌入式市場(chǎng)的全新設計來(lái)說(shuō)，都是理想的選擇。

對比ARMv7-A，AArch32在如下方面得到強化：

添加多項新指令，密碼函數性能提高;

全新的負載獲取及存儲釋放(Load Acquire and Store Release)指令，讓訪(fǎng)存排序更高效，與全新C++11訪(fǎng)存排序語(yǔ)義匹配;

額外的標量和單指令多數據結構(SIMD)浮點(diǎn)指令;

更豐富的系統控制指令。

對比早期的32位ARMv7-A處理器，Arrch32這些額外特性使其具備更佳的性能。

Cortex-A32總線(xiàn)接口上的高級一致性擴展(Advanced Coherency Extensions，ACE)使其可以利用Cortex-A32構建支持完全一致的多處理器系統，按需升級，以實(shí)現更高的性能。不過(guò)，如果產(chǎn)品面積與功耗是最主要的限制因素，Cortex-A32也提供專(zhuān)門(mén)針對單處理器應用優(yōu)化的版本， 移除一致性邏輯，實(shí)現更高功效。

經(jīng)過(guò)大物理地址擴展(Large Physical Address Extension，LPAE)，Cortex-A32的可尋址內存空間得到擴展，超過(guò)Cortex-A5的32位(4GB)，達到40位物理地址空間。

核心本身配置了額外的高級功能，進(jìn)一步提高效率。其中包括更靈活的功耗管理、更優(yōu)化的電源域和保留電源門(mén)控(retention power gating)的延伸使用。

ARMv7-M 主要特性

ARM Cortex-M處理器基于A(yíng)RMv7-M架構(Cortex-M0和Cortex-M0+ 采用類(lèi)似的ARMv6-M架構)。雖然與早期的ARM架構有眾多相似之處，但ARMv7-M經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)打造，更適合深度嵌入、低成本的實(shí)時(shí)微處理器應用。因此，早期架構的很多功能被刪除，并添加了新的特性，以構建更符合“微控制器”環(huán)境的編程模式。

對比前代處理器(例如備受歡迎的ARM7TDMI)，變化具體如下：

1.操作模式數量顯著(zhù)減少，從7種甚至更多減至2種：僅保留處理器模式與線(xiàn)程模式。其中一種模式(處理器模式)可以默認為優(yōu)先采用。

2.寄存器文件簡(jiǎn)化。雖然編程器可用的寄存器數量實(shí)質(zhì)上仍然是16個(gè)，但前代架構使用的分組寄存器機制明顯減少，因此兩種操作模式寄存的只有棧指針(r13)。是否使用寄存拷貝可自行設置。

3.異常模式的變化最為明顯。由于典型的微控制器應用可能會(huì )出現大量的芯片外設中斷，基于此，全新架構中的所有Cortex-M核心都配置了標準嵌套中斷向量控制器(Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC)。類(lèi)似的，根據記載處理器地址的向量表，異常處理模式也被標準化。上下文保存和恢復操作完全在硬件中實(shí)現，進(jìn)一步簡(jiǎn)化編寫(xiě)中斷處理器的軟件任務(wù)?；谏鲜?，實(shí)現過(guò)程中的干擾性延遲發(fā)生幾率被降到極低，且高度可預測。

4.與前代ARM處理器類(lèi)似，ARMv7-M定義了可選內存保護架構。同時(shí)，因為裸金屬系統或在實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)下運行的系統通常不需要虛擬內存，ARMv7-M并不為其提供支持。

5.為協(xié)助實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)的實(shí)現和移植，一些標準的片上外圍設備也在架構中獲得定義，例如SysTick timer。

6.為進(jìn)一步縮小處理器核心面積，ARMv7-M處理器僅采用Thumb指令集(包括Thumb-2指令集擴展)。

ARMv8-A AArch32 主要特性

Cortex-A處理器基于A(yíng)RMv7-A或ARMv8-A架構。ARMv8-A處理器支持AArch32執行態(tài)，是32位ARMv7-A架構的兼容升級。這些架構的設計添加了專(zhuān)屬特性，比如虛擬內存環(huán)境，以支持包括Linux、Android、Windows等的平臺操作系統。

對比Cortex-M處理器核心，Cortex-A獨特之處包括：

1.擁有7種或更多操作模式：用戶(hù)、管理器、IRQ、FIQ、未定義、中止、系統。每種模式都可以處理一項具體事件，例如，IRQ模式被用于處理IRQ 中斷。AArch32還支持另外兩種模式：Hyp 和監視器，這兩種模式分別用于虛擬化及ARM TrustZone。

2.雖然可以使用的寄存器數量同樣是16個(gè)，但AArch32有許多與上述操作模式相對應的“分組”(banked)寄存器。一旦進(jìn)入特定操作模式，這些寄存器就會(huì )取代對應的用戶(hù)模式。這使異常處理的許多方面得到簡(jiǎn)化，但也意味著(zhù)需要提高機器管理能力，并在初始化上花更大的功夫。

3.異常模式有顯著(zhù)差別，與最初的ARM架構設備一脈相承。具體來(lái)說(shuō)，向量表是由一組可執行的指令組成，而不是地址，并且保存和恢復上下文的任務(wù)幾乎完全由編程器承擔。

4.還有一個(gè)重要差別是內存管理單元(Memory Management Unit ，MMU)，內存管理單元會(huì )編譯核心提交的虛擬地址以及存儲系統需要的物理地址。針對Linux一樣的平臺操作系統所使用的完整需求分頁(yè)虛擬存儲器環(huán)境，Cortex-A也可以提供支持。

ARMv7-M 與 AArch32 的不同之處

從基于Cortex-M處理器的系統遷移到基于Cortex-A32處理器的系統時(shí)，許多新特性也有必要了解。盡管這兩種架構之間有許多相似之處(如寄存器組和指令集存在多種共性)，但仍然需要清楚一點(diǎn)，ARMv8-A架構在A(yíng)Arch32執行態(tài)下的許多特性是基于早期架構的。本節將詳細介紹 AArch32的特性，這些特性在A(yíng)RMv7-M中不具備，或者實(shí)現方式極其不同。