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(gòu)中獨(dú)一無(wú)二的產(chǎn)品，擁有重要地位。Cortex-A32基于ARMv8-A架構(gòu)，卻是針對(duì)32位設(shè)計(jì)的處理器。下圖介紹了Cortex-A32與ARMv8-A架構(gòu)的匹配程度，并與Cortex-A35進(jìn)行了對(duì)比。

圖一：Cortex-A32和ARMv8-A

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

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

AArch32執(zhí)行態(tài)是早期Cortex-A處理器所用ARMv7-A架構(gòu)的升級(jí)版。盡管不具備64位功能，但在其它某些功能卻得到顯著增強(qiáng)，使Cortex-A32與Cortex-A7和Cortex-A5相比更加高效；對(duì)基于更早ARM處理器的設(shè)計(jì)演變，或聚焦嵌入式市場(chǎng)的全新設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，都是理想的選擇。

對(duì)比ARMv7-A，AArch32在如下方面得到強(qiáng)化：

添加多項(xiàng)新指令，密碼函數(shù)性能提高；

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

額外的標(biāo)量和單指令多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（SIMD）浮點(diǎn)指令；

更豐富的系統(tǒng)控制指令。

對(duì)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總線接口上的高級(jí)一致性擴(kuò)展（Advanced Coherency Extensions，ACE）使其可以利用Cortex-A32構(gòu)建支持完全一致的多處理器系統(tǒng)，按需升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)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也提供專門針對(duì)單處理器應(yīng)用優(yōu)化的版本， 移除一致性邏輯，實(shí)現(xiàn)更高功效。

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

核心本身配置了額外的高級(jí)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控（retention power gating）的延伸使用。

ARMv7-M 主要特性

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

對(duì)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(shù)量顯著減少，從7種甚至更多減至2種：僅保留處理器模式與線程模式。其中一種模式（處理器模式）可以默認(rèn)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(shù)量實(shí)質(zhì)上仍然是16個(gè)，但前代架構(gòu)使用的分組寄存器機(jī)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(shè)置。

3.異常模式的變化最為明顯。由于典型的微控制器應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)大量的芯片外設(shè)中斷，基于此，全新架構(gòu)中的所有Cortex-M核心都配置了標(biāo)準(zhǔn)嵌套中斷向量控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）。類似的，根據(jù)記載處理器地址的向量表，異常處理模式也被標(biāo)準(zhǔn)化。上下文保存和恢復(fù)操作完全在硬件中實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化編寫中斷處理器的軟件任務(wù)?；谏鲜觯瑢?shí)現(xiàn)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(yù)測(cè)。

4.與前代ARM處理器類似，ARMv7-M定義了可選內(nèi)存保護(hù)架構(gòu)。同時(shí)，因?yàn)槁憬饘傧到y(tǒng)或在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）下運(yùn)行的系統(tǒng)通常不需要虛擬內(nèi)存，ARMv7-M并不為其提供支持。

5.為協(xié)助實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的實(shí)現(xiàn)和移植，一些標(biāo)準(zhǔn)的片上外圍設(shè)備也在架構(gòu)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(kuò)展）。

ARMv8-A AArch32 主要特性

Cortex-A處理器基于ARMv7-A或ARMv8-A架構(gòu)。ARMv8-A處理器支持AArch32執(zhí)行態(tài)，是32位ARMv7-A架構(gòu)的兼容升級(jí)。這些架構(gòu)的設(shè)計(jì)添加了專屬特性，比如虛擬內(nèi)存環(huán)境，以支持包括Linux、Android、Windows等的平臺(tái)操作系統(tǒng)。

對(duì)比Cortex-M處理器核心，Cortex-A獨(dú)特之處包括：

1.擁有7種或更多操作模式：用戶、管理器、IRQ、FIQ、未定義、中止、系統(tǒng)。每種模式都可以處理一項(xiàng)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(jiān)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(shù)量同樣是16個(gè)，但AArch32有許多與上述操作模式相對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的用戶模式。這使異常處理的許多方面得到簡(jiǎn)化，但也意味著需要提高機(jī)器管理能力，并在初始化上花更大的功夫。

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

4.還有一個(gè)重要差別是內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit ，MMU），內(nèi)存管理單元會(huì)編譯核心提交的虛擬地址以及存儲(chǔ)系統(tǒng)需要的物理地址。針對(duì)Linux一樣的平臺(tái)操作系統(tǒng)所使用的完整需求分頁(yè)虛擬存儲(chǔ)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(tǒng)遷移到基于Cortex-A32處理器的系統(tǒng)時(shí)，許多新特性也有必要了解。盡管這兩種架構(gòu)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(gòu)在AArch32執(zhí)行態(tài)下的許多特性是基于早期架構(gòu)的。本節(jié)將詳細(xì)介紹AArch32的特性，這些特性在ARMv7-M中不具備，或者實(shí)現(xiàn)方式極其不同。

操作模式

如2圖所示，ARMv7-M僅定義兩種操作模式，線程模式與處理器模式。處理器模式可以設(shè)置為普通模式，也就是說(shuō)，在不需要時(shí)，軟件可以不啟用該特性。處理器模式主要被用于處理異常情況，線性模式則用于用戶進(jìn)程。模式間的轉(zhuǎn)化基本上是自動(dòng)的，發(fā)生條件如圖所示。如異常情況發(fā)生，處理器模式自動(dòng)啟用，異常處理完成后，處理器模式自動(dòng)退出。SVCall指令是軟件進(jìn)入處理器模式的主要方法（將啟動(dòng)的IRQ設(shè)定為未決，可令處理器執(zhí)行異常操作）。

圖2： ARMv7-M操作模式

對(duì)比圖3，圖2顯示的是AArch32執(zhí)行態(tài)下支持的操作模式?；镜牟僮髂Ｊ接衅叻N，其中五種用于處理特定異常。如發(fā)生快速中斷（Fast Interrupt，F(xiàn)IQ）異常，則會(huì)進(jìn)入FIQ模式；如出現(xiàn)未定義指令，則進(jìn)入U(xiǎn)ndef模式，諸如此類。

圖3： AArch32操作模式

模式間的轉(zhuǎn)換通常自動(dòng)執(zhí)行，但是如果在現(xiàn)程序狀態(tài)寄存器（Current Program Status Register，CPSR）中寫入模式字段，則可完全由軟件控制進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，具體細(xì)節(jié)稍后再做說(shuō)明。與SVCall指令類似，SVC指令可以支持軟件處理SVC異常，并進(jìn)入SVC模式。

AArch32還支持其他兩種模式，但未在圖中顯示（僅為節(jié)省版面空間）。它們分別是Hyp模式（用于管理程序）和監(jiān)控模式（用于TrustZone）。

寄存器組

圖4及圖5分別介紹了ARMv7-M 和 AArch32寄存器組。從圖中可以看出，兩種寄存器有許多相似之處，這是因?yàn)閮烧呓猿幸u了ARMv6及早期架構(gòu)的共同特性。

多數(shù)指令可以訪問(wèn)13個(gè)通用寄存器（r0至r12）。兩種架構(gòu)下，r13預(yù)設(shè)為棧指針（SP），r14預(yù)設(shè)為連接寄存器（LR），r15預(yù)設(shè)為程序計(jì)數(shù)器（PC）。ARMv7-M架構(gòu)下，訪問(wèn)專用寄存器受到嚴(yán)格限制；AArch32下，可以用與其他通用寄存器相同的方式訪問(wèn)這些寄存器；不過(guò)無(wú)需多言，擅自修改PC值可能會(huì)產(chǎn)生不良后果！

圖4：ARMv7-M寄存器組 圖5- AArch32寄存器組

ARMv7-M是一小組其他專用寄存器，包括PRIMASK、FAULTMASK、xPSR、CONTROL及BASEPRI，用于控制、配置處理器及處理異常情況。

指令集

如圖5所示，AArch32還有一些與特定操作模式相關(guān)的寄存器。如進(jìn)入對(duì)應(yīng)的模式下，這些寄存器會(huì)與相應(yīng)的用戶模式切換。只有極少數(shù)特殊指令能夠訪問(wèn)，并且還無(wú)法直接訪問(wèn)。這些數(shù)值隨著模式變化被保存，以輔助異常處理。特別值得指出的是，每種異常模式都對(duì)應(yīng)獨(dú)立的棧指針，從而能夠在單獨(dú)堆棧上解決每個(gè)異常狀況。這就讓異常處理程序更可靠、防御性更強(qiáng)。異常出現(xiàn)后，相關(guān)模式的連接寄存器會(huì)被設(shè)定為異常返回地址。

每種異常模式都對(duì)應(yīng)一個(gè)附加寄存器，即程序保護(hù)狀態(tài)寄存器（SPSR）。程序保護(hù)狀態(tài)寄存器用于出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)記錄當(dāng)前的程序狀態(tài)寄存器數(shù)值以及LR，從而自動(dòng)保存相關(guān)數(shù)據(jù)。另外，AArch32的圖示中未顯示Mon與Hyp模式。與其他模式一樣，它們分別支持R13與R14分組寄存器。

Cortex-A架構(gòu)下，有一個(gè)與ARM NEON SIMD指令集相關(guān)的獨(dú)立寄存器組，包含32個(gè)128位寬寄存器。每個(gè)寄存器都可作為單字、雙字或四倍字尋址，NEON指令集也支持依據(jù)字節(jié)或四倍字進(jìn)行向量運(yùn)算。

異常模型

上述兩個(gè)架構(gòu)的異常模型具有顯著差異，但兩者都支持因系統(tǒng)事件或外圍中斷引起的內(nèi)部及外部異常。

ARMv7-M支持與傳統(tǒng)微控制器上發(fā)現(xiàn)的異常更相近的模型，所有外部中斷都通過(guò)含有處理器地址的向量表單獨(dú)進(jìn)行向量處理。

AArch32與早期ARM架構(gòu)中的異常模型更相近，早期的ARM架構(gòu)中僅有8種異常類型，向量也各不相同。向量表由可執(zhí)行指令組成，通常是特定異常處理器的分支指令。僅支持兩種外部中斷源，即FIQ和IRQ。通常，一個(gè)高優(yōu)先級(jí)中斷會(huì)連接FIQ，其他則連接IRQ。這意味著系統(tǒng)要么裝有軟件調(diào)度程序，要么就要和現(xiàn)代系統(tǒng)一樣裝有中斷向量控制器（Vectored Interrupt Controller，VIC），可以利用單一向量地址進(jìn)行編程。

多數(shù)Cortex-A系統(tǒng)裝有基于ARM的通用中斷控制器（Generic Interrupt Controller，GIC）。GIC是許多物理中斷和ARM核心中斷輸入（FIQ和IRQ）的接口，處理優(yōu)先次序、遮蔽、單一中斷啟用或禁止，及優(yōu)先權(quán)。欲了解更多信息，請(qǐng)參考《GIC架構(gòu)參考手冊(cè)》。

虛擬內(nèi)存支持

支持完全虛擬內(nèi)存環(huán)境是ARMv8-A的一個(gè)主要特性，使設(shè)備可以支持Linux和Android等平臺(tái)操作系統(tǒng)。同樣，虛擬內(nèi)存能力通常也是客戶選擇核心的重要依據(jù)。

虛擬內(nèi)存環(huán)境使操作系統(tǒng)能夠以更加靈活的方式管理內(nèi)存，例如，允許單獨(dú)處理動(dòng)態(tài)擴(kuò)展棧區(qū)域，按照需求將單個(gè)代碼和數(shù)據(jù)區(qū)域調(diào)入和調(diào)出外部存儲(chǔ)頁(yè)面，并使每個(gè)用戶處理系統(tǒng)內(nèi)存映射的相同視圖。

圖6：虛擬內(nèi)存

為此，如圖6所示，虛擬內(nèi)存在處理器提供的每個(gè)地址上進(jìn)行“轉(zhuǎn)換”。軟件在“虛擬地址空間”和稱為內(nèi)存管理單元（Memory Management Unit，MMU）的模塊中運(yùn)行，并將其轉(zhuǎn)換為“物理地址空間”，為系統(tǒng)中的每個(gè)用戶任務(wù)以及操作系統(tǒng)本身創(chuàng)建新的虛擬內(nèi)存映射，還使操作系統(tǒng)完全控制訪問(wèn)權(quán)限等。每項(xiàng)任務(wù)都可以在自身的虛擬內(nèi)存空間中執(zhí)行，就像是系統(tǒng)中的唯一任務(wù)。只有操作系統(tǒng)知道外部物理內(nèi)存中該任務(wù)的代碼和數(shù)據(jù)區(qū)域的真實(shí)物理位置。

任務(wù)切換時(shí)，操作系統(tǒng)的其中一項(xiàng)工作就是重新配置MMU，使代碼和數(shù)據(jù)能被輸入任務(wù)使用，同時(shí)讓輸出任務(wù)的存儲(chǔ)器可以暫時(shí)訪問(wèn)。這進(jìn)一步增強(qiáng)了任務(wù)之間的分離，構(gòu)建安全可靠的系統(tǒng)。

這里我們不再深入研究所有細(xì)節(jié)。簡(jiǎn)而言之，ARM處理器的MMU使用了“頁(yè)面表”（外部存儲(chǔ)器中）的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)并控制轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過(guò)一系列優(yōu)化（如轉(zhuǎn)換查找緩沖器（TLBs），緩存通過(guò)轉(zhuǎn)換降低讀取頁(yè)面表的功耗），讓轉(zhuǎn)換過(guò)程的功耗降到最低。