ARM探索之旅 | 一带你认识ARM Cortex-M阵营

Posted 2021-05-26 Mculover666

引言

笔者接触嵌入式领域软件开发已近五年，几乎用的都是 ARM Cortex M 内核系列的微控制器。在这五年期间，感谢C语言编译器的存在，让我不用接触汇编即可进行开发，但是彷佛也错过了一些风景，没有领域到编译器之美和CPU之美，所以决定周末无聊的休息时间通过寻找资料、动手实验、得出结论的方法来探索 ARM CPU 架构的美妙，以及C语言编译器的奥秘。（因为我个人实在是不赞同学校中微机原理类课程的教学方法）。

一、ARM CPU Architecture

ARM CPU架构是一个用于计算机处理器的精简指令集（RISC）架构家族。它是世界上最普遍的处理器架构，从传感器、可穿戴设备、智能手机、到超级计算机，每年会有数十亿基于ARM的设备出货。

ARM CPU架构基于RISC精简指令集，包括：

• 一个统一的寄存器文件，其中指令不限于作用于特定的寄存器；
• 一种加载或存储架构，其中数据处理仅对寄存器内容进行，而不是直接对内存内容进行；
• 简单的寻址模式，所有加载或者存储模式仅由寄存器内容和指令字段决定。

根据不同的应用场景，ARM CPU架构分为：

架构定义	使用案例	实现（处理器内核）
A系列	复杂的电脑应用（服务器、网络设备、手机、TV）	Cortex-A、Neoverse
R系列	用于需要实时响应的场景（严格的安全性应用、需要确定响应的应用、自动驾驶）	Cortex-R
M系列	功耗和尺寸比较重要的设备，尤其嵌入式设备和IoT设备，比如小型传感器、通信模组、智能家居产品等	Cortex-M

在本系列文章中，我们将以Cortex M内核为主进行探索，不去考虑Cortex A 系列和Cortex R系列。

二、Cortex M内核

Cortex-M处理器家族基于ARM M 架构定义，为嵌入式系统提供了低延迟和高度确定的操作，主要包括的Cortex-M系列内核如下图：

从图中大致可以看出：

① Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1系列内核使用Armv6-M架构，常用的Cortex-M3、Cortex M4、Cortex M7系列内核使用Armv7-M架构，Cortex-M23系列使用Armv8-M Baseline架构，Cortex-M33、Cortex-M33P、Cortex-M55系列使用Armv8-M Mainline架构。

② 从Coretx-M23系列开始，Cortex-M内核中开始拥有TrustZone特性。

③ Cortex-M4、CortexM7、Cortex-M33、Cortex-M35P、Cortex-M55系列中才有数字信号处理扩展（DSP）。

④ Cortex-M33、Cortex-M55系列中开始拥有ARM自定义指令。

⑤ Cortex-M33、Cortex-M35P、Cortex M55系列拥有协处理器接口。

接下来我们一一了解。

1. Cortex M0

Cortex M0处理器是ARM最小的处理器之一，主要特点是小体积，目的是使开发人员能够在8位的价格点上实现32位的性能。

Cortex M0处理器使用AHB-Lite总线、拥有三级流水线，支持部分Thumb/Thumb-2 指令集。

2. Cortex M0+

Cortex M0+处理器在Cortex M0处理器的基础上，进一步降低了功耗，提升了性能。Cortex M0+处理器使用 AMBA AHB-Lite 总线、降低为两级流水线，支持部分Thumb/Thumb-2 指令集。

3. Cortex M1

Cortex M1是首个专为FPGA上的实现而设计的处理器。使用 AMBA AHB-Lite 总线、三级流水线，支持部分Thumb/Thumb-2 指令集。

4. Cortex M3

Cortex-M3处理器是专为高性能、低成本平台开发设计的，包括汽车车身系统、工业控制系统、无线网络、传感器等，使用 3个 AMBA AHB-Lite总线 (哈佛总线架构)，三级流水线，支持部分Thumb/Thumb-2 指令集、支持8 to 256优先级等级。

5. Cortex M4

Cortex-M4处理器是一款高效的嵌入式处理器，使用 3个 AMBA AHB-Lite总线 (哈佛总线架构)，三级流水线，支持Thumb/Thumb-2 部分指令集，支持8 to 256优先级等级。相比CortexM3，增加了DSP扩展、可选的单精度浮点单元。

6. Cortex M7

Cortex M7处理器是一款高性能、节能的处理器，6级大规模流水线，支持Thumb/Thumb-2 指令集，支持8 to 256优先级等级，支持DSP扩展、可选的单精度浮点单元，使用 1 个64-bit AMBA4 AXI总线, 1 个 32-bit AHB 外设接口、1 个 为外部主机访问TCMs内存提供的32-bit AMBA AHB 从机接口，拥有指令cache、数据cache、指令TCM、数据TCM。

7. Cortex M23

Cortex M23处理器是一款非常简洁的处理器，对于大多数需要安全性的IoT和嵌入式应用，带有TrustZone的Cortex-M23是一个理想的处理器。

Cotex-M23使用 Armv8-M baseline 架构，拥有2级流水线，使用 AMBA 5 AHB 总线，支持Thumb/Thumb-2 部分指令集，支持4个优先级等级。还增加了指令支持硬件单周期乘法（32x32）和快速除法（32/32）。

8. Cortex M33

Cortex-M33适用于需要有效安全性或者数字信号控制的嵌入式和IoT应用场景。Cortex-M33有非常多的可选特性，包括DSP扩展、用于硬件强制隔离的TrustZone安全特性、一个协处理器接口、内存保护单元、浮点计算单元。

Cotex-M33使用 Armv8-M Mainline 架构，拥有3级流水线，使用 2 个 AMBA5 AHB 总线（哈佛架构），支持Thumb/Thumb-2 指令集，支持8 to 256个中断优先级等级，可选的TrustZone for Armv8-M支持，DSP扩展中支持可选的 DSP/SIMD 指令，可选的协处理器接口支持。

推荐傻孩子大佬的一篇文章：深度剖析，简单粗暴，详解Cortex-M23/33特性。

9. Cortex M35P

Cortex-M35P处理器使用TrustZone for Armv8-M，具有硬件安全和可选的软件隔离特性。对于试图阻止物理篡改并希望获得更高级别安全认证的嵌入式开发人员，ARM提供了Cortex-M35P这款处理器。

Cotex-M35P使用 Armv8-M Mainline 架构，拥有3级流水线，使用 2 个 AMBA5 AHB 总线（哈佛架构），支持Thumb/Thumb-2 指令集，支持8 to 256个中断优先级等级，具有可选的协处理器接口支持、TrustZone for Armv8-M支持、DSP支持，并且具有物理安全特性，内置保护，防止入侵和非入侵式攻击。

10. Cortex M55

目前最新一代的Cortex M系列处理器为Cortex M55。

Cortex-M55是首个基于Armv8.1-M架构的处理器，采用ARM Helium技术（MVE，M系列矢量扩展），为下一代小型嵌入式设备带来了增强的机器学习水平和信号处理的性能，包括可穿戴设备，智能语音设备等。

Cotex-M55拥有4级流水线，使用 AMBA 5 AXI5 64-bit 主机总线，可选的64bit协处理器接口支持、可选的TrustZone支持，可选的Helium技术支持，DSP扩展中支持32位DSP/SIMD指令扩展。

总结

认识了Cortex-M阵营都有哪些成员后，可以看到ARM Cortex-M 越来越注重安全性能和AI性能，这也给了我们一个发展方向，未来物联网的发展也不再是仅限于对接一下云平台上报数据这么简单，而是更多的提升物联网设备安全能力和AI能力，毕竟硬件设备遭遇入侵比电脑中毒更加可怕，如果端侧AI处理能力大大提升，则数据处理可直接在终端中完成，而不用去消耗不必要的云端算力~

至此，ARM探索之旅第一站就结束啦！下一站再会！