引言

筆者接觸嵌入式領(lǐng)域軟件開發(fā)已近五年，幾乎用的都是 ARM Cortex M 內(nèi)核系列的微控制器。在這五年期間，感謝 C 語言編譯器的存在，讓我不用接觸匯編即可進(jìn)行開發(fā)，但是彷佛也錯(cuò)過了一些風(fēng)景，沒有領(lǐng)域到編譯器之美和 CPU 之美，所以決定周末無聊的休息時(shí)間通過尋找資料、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、得出結(jié)論的方法來探索 ARM CPU 架構(gòu)的美妙，以及 C 語言編譯器的奧秘。（因?yàn)槲覀€(gè)人實(shí)在是不贊同學(xué)校中微機(jī)原理類課程的教學(xué)方法）。

一、ARM CPU Architecture

ARM CPU 架構(gòu)^[1]是一個(gè)用于計(jì)算機(jī)處理器的「精簡(jiǎn)指令集」（RISC）架構(gòu)家族。它是世界上最普遍的處理器架構(gòu)，從傳感器、可穿戴設(shè)備、智能手機(jī)、到超級(jí)計(jì)算機(jī)，每年會(huì)有數(shù)十億基于 ARM 的設(shè)備出貨。

ARM CPU 架構(gòu)基于 RISC 精簡(jiǎn)指令集，包括：

• 「一個(gè)統(tǒng)一的寄存器文件」，其中指令不限于作用于特定的寄存器；
• 「一種加載或存儲(chǔ)架構(gòu)」，其中數(shù)據(jù)處理僅對(duì)寄存器內(nèi)容進(jìn)行，而不是直接對(duì)內(nèi)存內(nèi)容進(jìn)行；
• 「簡(jiǎn)單的尋址模式」，所有加載或者存儲(chǔ)模式僅由寄存器內(nèi)容和指令字段決定。

根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，ARM CPU 架構(gòu)分為：

架構(gòu)定義	使用案例	實(shí)現(xiàn)（處理器內(nèi)核）
A 系列	復(fù)雜的電腦應(yīng)用（服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手機(jī)、TV）	Cortex-A、Neoverse
R 系列	用于需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的場(chǎng)景（嚴(yán)格的安全性應(yīng)用、需要確定響應(yīng)的應(yīng)用、自動(dòng)駕駛）	Cortex-R
「M 系列」	「功耗和尺寸比較重要的設(shè)備，尤其嵌入式設(shè)備和 IoT 設(shè)備，比如小型傳感器、通信模組、智能家居產(chǎn)品等」	「Cortex-M」

在本系列文章中，我們將以 Cortex M 內(nèi)核為主進(jìn)行探索，不去考慮 Cortex A 系列和 Cortex R 系列。

二、Cortex M 內(nèi)核

Cortex-M 處理器家族基于 ARM M 架構(gòu)定義，為嵌入式系統(tǒng)提供了低延遲和高度確定的操作，主要包括的 Cortex-M 系列內(nèi)核如下圖：

從圖中大致可以看出：

① Cortex-M0、Cortex-M0 、Cortex-M1 系列內(nèi)核使用 Armv6-M 架構(gòu)，「常用的 Cortex-M3、Cortex M4、Cortex M7 系列內(nèi)核使用 Armv7-M 架構(gòu)」，Cortex-M23 系列使用 Armv8-M Baseline 架構(gòu)，Cortex-M33、Cortex-M33P、Cortex-M55 系列使用 Armv8-M Mainline 架構(gòu)。

② 從 Coretx-M23 系列開始，Cortex-M 內(nèi)核中開始擁有「TrustZone 特性」。

③ Cortex-M4、CortexM7、Cortex-M33、Cortex-M35P、Cortex-M55 系列中才有「數(shù)字信號(hào)處理擴(kuò)展」（DSP）。

④ Cortex-M33、Cortex-M55 系列中開始擁有「ARM 自定義指令」。

⑤ Cortex-M33、Cortex-M35P、Cortex M55 系列擁有「協(xié)處理器接口」。

接下來我們一一了解。

1. Cortex M0

Cortex M0^[2]處理器是 ARM 最小的處理器之一，主要特點(diǎn)是小體積，目的是使開發(fā)人員能夠在 8 位的價(jià)格點(diǎn)上實(shí)現(xiàn) 32 位的性能。Cortex M0 處理器使用 AHB-Lite 總線、擁有三級(jí)流水線，支持部分 Thumb/Thumb-2 指令集。

2. Cortex M0

Cortex M0 ^[3]處理器在 Cortex M0 處理器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了功耗，提升了性能。Cortex M0 處理器使用 AMBA AHB-Lite 總線、降低為兩級(jí)流水線，支持部分 Thumb/Thumb-2 指令集。

3. Cortex M1

Cortex M1^[4]是首個(gè)專為 FPGA 上的實(shí)現(xiàn)而設(shè)計(jì)的處理器。使用 AMBA AHB-Lite 總線、三級(jí)流水線，支持部分 Thumb/Thumb-2 指令集。

4. Cortex M3

Cortex-M3^[5]處理器是專為高性能、低成本平臺(tái)開發(fā)設(shè)計(jì)的，包括汽車車身系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器等，使用 3 個(gè) AMBA AHB-Lite 總線 (哈佛總線架構(gòu))，三級(jí)流水線，支持部分 Thumb/Thumb-2 指令集、支持 8 to 256 優(yōu)先級(jí)等級(jí)。

5. Cortex M4

Cortex-M4^[6]處理器是一款高效的嵌入式處理器，使用 3 個(gè) AMBA AHB-Lite 總線 (哈佛總線架構(gòu))，三級(jí)流水線，支持 Thumb/Thumb-2 部分指令集，支持 8 to 256 優(yōu)先級(jí)等級(jí)。相比 CortexM3，「增加了 DSP 擴(kuò)展、可選的單精度浮點(diǎn)單元」。

6. Cortex M7

Cortex M7^[7]處理器是一款高性能、節(jié)能的處理器，「6 級(jí)大規(guī)模流水線」，支持 Thumb/Thumb-2 指令集，支持 8 to 256 優(yōu)先級(jí)等級(jí)，支持 DSP 擴(kuò)展、可選的單精度浮點(diǎn)單元，使用 1 個(gè) 64-bit AMBA4 AXI 總線, 1 個(gè) 32-bit AHB 外設(shè)接口、1 個(gè) 為外部主機(jī)訪問 TCMs 內(nèi)存提供的 32-bit AMBA AHB 從機(jī)接口，「擁有指令 cache、數(shù)據(jù) cache、指令 TCM、數(shù)據(jù) TCM」。

7. Cortex M23

Cortex M23^[8]處理器是一款非常簡(jiǎn)潔的處理器，對(duì)于大多數(shù)需要安全性的 IoT 和嵌入式應(yīng)用，帶有 TrustZone 的 Cortex-M23 是一個(gè)理想的處理器。

Cotex-M23 使用 Armv8-M baseline 架構(gòu)，擁有「2 級(jí)流水線」，使用 AMBA 5 AHB 總線，支持 Thumb/Thumb-2 部分指令集，支持 4 個(gè)優(yōu)先級(jí)等級(jí)。還增加了指令支持硬件單周期乘法（32x32）和快速除法（32/32）。

8. Cortex M33

Cortex-M33^[9]適用于需要有效安全性或者數(shù)字信號(hào)控制的嵌入式和 IoT 應(yīng)用場(chǎng)景。Cortex-M33 有非常多的可選特性，包括 DSP 擴(kuò)展、用于硬件強(qiáng)制隔離的 TrustZone 安全特性、一個(gè)協(xié)處理器接口、內(nèi)存保護(hù)單元、浮點(diǎn)計(jì)算單元。

Cotex-M33 使用 Armv8-M Mainline 架構(gòu)，擁有「3 級(jí)流水線」，使用 2 個(gè) AMBA5 AHB 總線（哈佛架構(gòu)），支持 Thumb/Thumb-2 指令集，支持 8 to 256 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)等級(jí)，可選的 TrustZone for Armv8-M 支持，「DSP 擴(kuò)展中支持可選的 DSP/SIMD 指令」，可選的協(xié)處理器接口支持。

推薦傻孩子大佬的一篇文章：深度剖析，簡(jiǎn)單粗暴，詳解 Cortex-M23/33 特性^[10]。

9. Cortex M35P

Cortex-M35P^[11]處理器使用 TrustZone for Armv8-M，具有硬件安全和可選的軟件隔離特性。對(duì)于試圖阻止物理篡改并希望獲得更高級(jí)別安全認(rèn)證的嵌入式開發(fā)人員，ARM 提供了 Cortex-M35P 這款處理器。

Cotex-M35P 使用 Armv8-M Mainline 架構(gòu)，擁有「3 級(jí)流水線」，使用 2 個(gè) AMBA5 AHB 總線（哈佛架構(gòu)），支持 Thumb/Thumb-2 指令集，支持 8 to 256 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)等級(jí)，具有可選的協(xié)處理器接口支持、TrustZone for Armv8-M 支持、DSP 支持，并且具有物理安全特性，「內(nèi)置保護(hù)，防止入侵和非入侵式攻擊」。

10. Cortex M55

目前最新一代的 Cortex M 系列處理器為 Cortex M55。

Cortex-M55^[12]是首個(gè)基于 Armv8.1-M 架構(gòu)的處理器，采用 ARM Helium 技術(shù)（MVE，M 系列矢量擴(kuò)展），為下一代小型嵌入式設(shè)備帶來了增強(qiáng)的機(jī)器學(xué)習(xí)水平和信號(hào)處理的性能，包括可穿戴設(shè)備，智能語音設(shè)備等。

Cotex-M55 擁有「4 級(jí)流水線」，使用 AMBA 5 AXI5 64-bit 主機(jī)總線，可選的 64bit 協(xié)處理器接口支持、可選的 TrustZone 支持，可選的 Helium 技術(shù)支持，「DSP 擴(kuò)展中支持 32 位 DSP/SIMD 指令擴(kuò)展」。

總結(jié)

認(rèn)識(shí)了 Cortex-M 陣營都有哪些成員后，可以看到 ARM Cortex-M 越來越注重安全性能和 AI 性能，這也給了我們一個(gè)發(fā)展方向，未來物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展也不再是僅限于對(duì)接一下云平臺(tái)上報(bào)數(shù)據(jù)這么簡(jiǎn)單，而是更多的提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全能力和 AI 能力，畢竟硬件設(shè)備遭遇入侵比電腦中毒更加可怕，如果端側(cè) AI 處理能力大大提升，則數(shù)據(jù)處理可直接在終端中完成，而不用去消耗不必要的云端算力~

至此，ARM 探索之旅第一站就結(jié)束啦！下一站再會(huì)！

注：本文所有圖片均來源于ARM。

參考

ARM CPU 架構(gòu): https://developer.arm.com/architectures/cpu-architecture