關于ARM Cortex內核的種類以及性能解讀

ARM Cortex內核系列提供非常廣泛的具有可擴展性的性能選項，設計人員有機會在多種選項中選擇最適合自身應用的內核，而非千篇一律的采用同一方案。Cortex系列組合大體上分為三種類別：

●Cortex-A—面向性能密集型系統的應用處理器內核

●Cortex-R—面向實時應用的高性能內核

●Cortex-M—面向各類嵌入式應用的微控制器內核

Cortex-A處理器為利用操作系統（例如Linux或者Android）的設備提供了一系列解決方案，這些設備被用于各類應用，從低成本手持設備到智能手機、平板電腦、機頂盒以及企業(yè)網絡設備等。早期的Cortex-A系列處理器（A5、A7、A8、A9、A12、A15和A17）基于ARMv7-A架構。每種內核都共享相同的功能集，例如NEON媒體處理引擎、Trustzone安全擴展、單精度和雙精度浮點支持、以及對多種指令集（ARM、Thumb-2、Thumb、Jazelle和DSP）的支持。與此同時，這些處理器也具有極高的設計靈活性，能夠提供所需的最佳性能和預期的功效。

盡管Cortex-A5內核是Cortex A系列中體積和功耗都最低的成員，但它擁有支持多核性能的潛能，并且與該系列中的高級成員（A9和A15）兼容。對于那些之前采用ARM926EJ-S或ARM1176JZ-S處理器的設計人員來說，選擇A5是自然的，因為它具有更高的性能和更低的芯片成本。

Cortex-A7在功耗和體積上與Cortex-A5相似，但其性能提升20%左右，且與Cortex-A15和Cortex-A17有完全的架構兼容性。Cortex-A7是成本敏感型智能手機和平板電腦的理想選擇，而且它還可以與Cortex-A15或Cortex-A17組合使用，形成ARM稱為“big.LITTLE”的處理結構。big.LITTLE結構實質上是一種功耗優(yōu)化技術；高性能CPU（例如Cortex-A17）和高效率CPU（例如Cortex-A7）的組合配置能夠提供更高的持久性能，同時因為更高效的內核很好的滿足了應用對中低性能的需求，這種組合還顯著節(jié)省整體功耗，節(jié)省75%的CPU耗能，并且延長電池的使用壽命。智能手機和平板電腦的性能需求發(fā)展遠比電池容量的增長快得多，因此這種配置帶給開發(fā)人員明顯的優(yōu)勢。諸如big.LITTLE等設計方法，作為整體系統設計策略的一部分，能夠顯著降低這種電池技術造成的差距。

接下來讓我們看看Cortex-A系列處理器中的高級別產品——Cortex-A15和Cortex-A17內核。這兩款內核都是高性能處理器，也可用于多種配置中。Cortex-A17是最高效的“中級”處理器，直接針對高端智能手機和平板電腦。Cortex-A9曾廣泛應用于這個市場，但與Cortex-A9相比，Cortex-A17性能提升了60%以上（循環(huán)周期），同時也改善了整體功效。Cortex-A17能夠配置多達四個內核，每個內核都包含一個完整的亂序流水線。如前面提到的，Cortex-A17 可與Cortex-A7組合成高效的big.LITTLE配置，還可以搭配高端移動圖形處理器（例如來自ARM的MALI），構成非常高效的設計整體。

哪種ARM Cortex內核更適合我的應用：A系列、R系列、還是M系列？

Cortex-A15是該系列處理器中性能最高的成員，是Cortex-A9性能（移動配置模式）的兩倍。不僅完全勝任高端智能手機或平板電腦這樣的應用，而且運行速率可高達2.5GHz的多核Cortex-A15處理器也能夠支撐低功耗服務器或無線基礎設施等應用。Cortex-A15是ARM公司第一款對虛擬軟件環(huán)境中的數據管理和仲裁提供硬件支持的處理器。這些軟件環(huán)境中的應用能夠同時訪問系統資源，實現虛擬環(huán)境中設備的可靠運行和相互隔離。

最新成員Cortex-A50系列將Cortex-A系列的應用范圍擴大至低功耗服務器領域。這些處理器基于ARMv8架構，支持AArch64——高效能64位運行態(tài)且可以與現行32位運行態(tài)共存。升級到64位的原因之一顯而易見是為了支持大于4GB的物理內存，盡管Cortex-A15和Cortex-A7已經具備此能力。在這種情況下，升級到64位其實是為服務器應用提供更好的支持，服務器中越來越多的操作系統和應用程序都采用64位，當然，Cortex-A50系列為上述情況提供了功耗優(yōu)化的解決方案。對于臺式機市場而言，情況也大體相同，支持64位意味著Cortex-A50系列能夠更廣泛地應用到這一細分市場，而且某種程度證明了未來64位操作系統最終將遷移到移動應用。

介紹過Cortex-A，下面介紹Cortex-R系列——衍生產品中體積最小的ARM處理器，這一點也最不為人所知。Cortex-R處理器針對高性能實時應用，例如硬盤控制器（或固態(tài)驅動控制器）、企業(yè)中的網絡設備和打印機、消費電子設備（例如藍光播放器和媒體播放器）、以及汽車應用（例如安全氣囊、制動系統和發(fā)動機管理）。Cortex-R系列在某些方面與高端微控制器（MCU）類似，但是，針對的是比通常使用標準MCU的系統還要大型的系統。例如，Cortex-R4就非常適合汽車應用。Cortex-R4主頻可以高達600MHz（具有2.45DMIPS/MHz），配有8級流水線，具有雙發(fā)送、預取和分支預測功能、以及低延遲中斷系統，可以中斷多周期操作而快速進入中斷服務程序。Cortex-R4還可以與另外一個Cortex-R4構成雙內核配置，一同組成一個帶有失效檢測邏輯的冗余鎖步（lock-step）配置，從而非常適合安全攸關的系統。

Cortex-R5能夠很好的服務于網絡和數據存儲應用，它擴展了Cortex-R4的功能集，從而提高了效率和可靠性，增強了可靠實時系統中的錯誤管理。其中的一個系統功能是低延遲外設端口（LLPP），可實現快速外設讀取和寫入（而不必對整個端口進行“讀取-修改-寫入”操作）。Cortex-R5還可以實現處理器獨立運行的“鎖步（lock-step）”雙核系統，每個處理器都能通過自己的“總線接口和中斷”執(zhí)行自己的程序。這種雙核實現能夠構建出非常強大和靈活的實時響應系統。

Cortex-R7極大擴展了R系列內核的性能范圍，時鐘速度可超過1GHz，性能達到3.77DMIPS/MHz。Cortex-R7上的11級流水線現在增強了錯誤管理功能，以及改進的分支預測功能。多核配置也有多種不同選項：鎖步、對稱多重處理和不對稱多重處理。Cortex-R7還配有一個完全集成的通用中斷控制器（GIC）來支持復雜的優(yōu)先級中斷處理。不過，值得注意的是，雖然Cortex-R7具有高性能，但是它并不適合運行那些特性豐富的操作系統（例如Linux和Android）的應用，Cortex-A系列才更適合這類應用。

最后，我們來討論Cortex-M系列，特別設計針對競爭已經非常激烈的MCU市場。Cortex-M系列基于ARMv7-M架構（用于Cortex-M3和Cortex-M4）構建，而較低的Cortex-M0+基于ARMv6-M架構構建。首款Cortex-M處理器于2004年發(fā)布，當一些主流MCU供應商選擇這款內核，并開始生產MCU器件后，Cortex-M處理器迅速受到市場青睞?？梢钥隙ǖ恼f，Cortex-M之于32位MCU就如同8051之于8位MCU——受到眾多供應商支持的工業(yè)標準內核，各家供應商采用該內核加之自己特別的開發(fā)，在市場中提供差異化產品。例如，Cortex-M系列能夠實現在FPGA中作為軟核來用，但更常見的用法是作為集成了存儲器、時鐘和外設的MCU。在該系列產品中，有些產品專注最佳能效、有些專注最高性能、而有些產品則專門應用于諸如智能電表這樣的細分市場。

Cortex-M3和Cortex-M4是非常相似的內核。二者都具有1.25DMIPS/MHz的性能，配有3級流水線、多重32位總線接口、時鐘速率可高達200MHz，并配有非常高效的調試選項。最大的不同是，Cortex-M4的內核性能針對的是DSP。Cortex-M3和Cortex-M4具有相同的架構和指令集（Thumb-2）。然而，Cortex-M4增加了一系列特別針對處理DSP算法而優(yōu)化的飽和運算和SIMD指令。以每0.5秒運行一次的512點FFT為例，如果分別在同類量產的Cortex-M3 MCU和Cortex-M4 MCU上運行，完成同樣的工作，Cortex-M3所需功耗約是Cortex-M4所需功耗的三倍。此外，也有在Cortex-M4上實現單精度浮點單元（FPU）的選項。如果應用涉及到浮點計算，那在Cortex-M4上完成比在Cortex-M3上完成要快得多。也就是說，對于不使用Cortex-M4上DSP或FPU功能的應用而言，其性能和功耗與Cortex-M3相同。換句話說，如果使用DSP功能，那就選擇Cortex-M4。否則，就選擇Cortex-M3完成工作。

對于成本特別敏感的應用或者正在從8位遷移到32位的應用而言，Cortex-M系列的最低端產品可能是最佳選擇。雖然Cortex-M0+的性能為0.95DMIPS/MHz，比Cortex-M3和Cortex-M4的性能稍稍低一些，但仍可與同系列其他高端產品兼容。Cortex-M0+采用Thumb-2指令集的子集，而且這些指令大都是16位操作數（雖然所有數據運行都是32位的），這使得它們能夠很好的適應Cortex-M0+所提供的2級流水線服務。通過減少分支映射，系統就能節(jié)約一些整體功耗，而且在大多數情況下，流水線將保留接下來的四個指令。Cortex-M0+還具有專用的總線用于單周期GPIO，這意味著你能夠利用位控制的GPIO實現確定接口，就像8位MCU那樣，但卻以32位內核的性能來處理該數據。

Cortex-M0+的另外一個重要的不同特點是增加了微型跟蹤緩沖器（MTB）。該外設可使設計人員在調試過程中使用一些片上RAM來存儲程序分支。這些分支隨后能夠回傳到集成開發(fā)環(huán)境中，而且可以重建程序流程。這一功能提供了一種初步的指令跟蹤能力，這對于不具備擴展跟蹤宏單元（ETM）功能的Cortex-M3和Cortex-M4來說比較有意義。從Cortex-M0+中提取的調試信息等級顯著高于8位MCU，這就意味著那些難以解決的調試問題變得更加容易解決。

綜上所述，Cortex處理器系列產品為滿足你的應用性能需求而提供了多種選項。無需勞神費力，也無論針對高端平板電腦還是物聯網中超低成本的無線傳感器節(jié)點，你都能夠發(fā)現一款適合應用所需的處理器。

來源： 嵌入式資訊精選微信號

原文標題：哪種ARM Cortex內核更適合你的應用？看看專家的解讀

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