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行開發(fā)，但是彷佛也錯過了一些風(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間通過尋找資料、動手實驗、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。（因為我個人實在是不贊同學(xué)校中微機原理類課程的教學(xué)方法）。

• ARM探索之旅 | 一、帶你認識ARM Cortex-M陣營

一、Arm指令集架構(gòu)

ARM指令集架構(gòu)簡稱為ISA，支持三種指令集：A64、A32、T32。

• A64指令集在 Armv8-A 中，用于支持64位架構(gòu)
• A32指令集在 Armv6 和 Armv7架構(gòu)中，稱為ARM指令集
• T32指令集在 Armv6 和 Armv7架構(gòu)中，稱為Thumb指令集

A32 Instruction Set

A32指令集，在 armv8 之前的架構(gòu)中也被稱為 「ARM 指令集，指令長度固定32位，4字節(jié)對齊」。

T32 Instruction Set

T32指令集，在 armv8 之前的架構(gòu)中被稱為 Thumb 指令集。

最初，ARM 指令集的長度固定為 32 位，為了改善用戶代碼的代碼密度，「Thumb 指令集被設(shè)計為 16 位指令集」，開發(fā)者可以同時使用ARM指令集和Thumb指令集來降低代碼大小。但這是兩套指令集，兩個運行狀態(tài)，需要在ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)之間來回切換，非常麻煩。

隨著時間的推移和Thumb-2技術(shù)的引入，「作為Thumb指令集的補充，ARM指令集的大部分功能都被納入到了Thumb指令，Thumb指令集演化為16位和32位混合長度指令集，稱為Thumb-2指令集」。

Thumb-2指令集的誕生，使得編譯器可以在單個指令集中平衡性能和代碼的大小，提供了極好的代碼密度，最小化系統(tǒng)內(nèi)存大小和成本。

二、Arm架構(gòu)擴展

ARM還提供了一系列的架構(gòu)擴展用于滿足下一代處理器的需求，這些擴展為ARM處理器提供了一些新的功能。

DSP擴展

DSP for Cortex-M 為 ARM Cortex-M 處理器提供了高性能的「信號處理能力」，用于聲音、音頻、傳感器中樞、機器學(xué)習(xí)等場景， 不需要額外的 DSP 設(shè)備即可完成信號處理的工作。

帶有 DSP 擴展的處理器包括Cortex-M4、Cortex-M7、Cortex-M33、Cortex-M35P、Cortex-M55處理器。

DSP擴展指令在 Thumb 指令集和可選的浮點運算單元的基礎(chǔ)上添加，使得在為Cortex-M處理器添加數(shù)字信號處理的同時，保持了原有Cortex-M編程模型的易用性。

SIMD指令

這些帶有DSP擴展的 Cortex-M 處理器，還提供了 「SIMD 指令」來操作8位或者16位的整數(shù)。

SIMD表示單指令多數(shù)據(jù)，在所有寄存器仍是32位的基礎(chǔ)上，「SIMD指令可以同時操作2個16 bit 的值或者4個8 bit 的值」。工作于8位或16位數(shù)據(jù)的指令對于處理諸如視頻數(shù)據(jù)或者音頻數(shù)據(jù)的時候非常有用，因為這些數(shù)據(jù)不需要32位的寬度，SIMD指令提供了并行處理這些數(shù)據(jù)的能力。

浮點單元

ARM浮點單元技術(shù)為「半精度、單精度和雙精度的浮點運算」提供了高性能和高效率的硬件支持。

Arm浮點單元使用完整的軟件庫支持，完全兼容IEEE-754標準，特別適用于對浮點計算精度要求比較高的應(yīng)用場景。

浮點數(shù)據(jù)類型的應(yīng)用場景如下：

• 汽車控制程序
• 3D圖形
• 工業(yè)控制系統(tǒng)
• 運動控制系統(tǒng)

Helium

ARM Helium 技術(shù)是ARM Cortex-M處理器系列的 M配置向量擴展，簡稱MVE，該技術(shù)是Armv8.1-M架構(gòu)的擴展，為小型嵌入式設(shè)備的機器學(xué)習(xí)應(yīng)用提供給了顯著的性能提升。

Cortex-M55是首款具有該擴展的處理器。

Helium技術(shù)添加了150多個新的標量和向量指令，其中整數(shù)Helium技術(shù)使8位、16位、32位固定點數(shù)據(jù)的高效計算成為可能，16位和32位固定點格式在傳統(tǒng)的信號處理中廣泛應(yīng)用，比如音頻處理，而8位固定點格式在機器學(xué)習(xí)處理中很重要，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，圖像處理等。

同樣，Helium也支持浮點數(shù)據(jù)類型，包括單精度浮點數(shù)（32位）和半精度浮點數(shù)（16位）。

三、Cortex-M用什么指令集

講述了ARM的基本指令集和擴展指令集，是時候來回答我們提出的問題：ARM Cortex-M用什么指令集？

「ARM Cortex-M 全部系列只支持唯一的指令集：Thumb指令集或Thumb-2指令集。確切的來說，是支持T32指令集。」

在Cortex-M陣營眾多的成員中，每個處理器對 Thumb/Thumb-2 指令集的支持情況不同，「大部分處理器都是支持 Thumb/Thumb-2 指令集的子集」。

Cortex-M0、Cortex M3、Cortex M4、Cortex M7系列支持的Thumb指令集如圖所示。Cortex-M23和Cortex-M33內(nèi)核支持的Thumb指令如下圖所示，圖中黃色部分表示ArmV8-M系列新增的指令：

至此，ARM探索之旅第二站就結(jié)束啦！下一站再會！