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眾所周知，英國的ARM公司是嵌入式微處理器的世界領導者。ARM一直是自己開發(fā)的微控制器核心架構(gòu)，然后將這些架構(gòu)的知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)給每個芯片制造商，簡化的CPU架構(gòu)，高效的處理能力和成功的商業(yè)模式使ARM公司取得了巨大的成功，讓他迅速占據(jù)了32個嵌入式微處理器的大部分市場份額，甚至現(xiàn)在，ARM芯片在互聯(lián)網(wǎng)市場上也與INTELATOMCPU有很大的實力。

目前，隨著對嵌入式系統(tǒng)的要求越來越高，嵌入式微處理器作為其核心的綜合性能也受到了越來越嚴峻的考驗。最典型的例子就是隨著3G網(wǎng)絡的推廣，對手機的本地處理能力要求很高。如今，高端智能手機的處理能力幾乎可以和幾年前的筆記本電腦一樣。為了滿足市場需求，ARM公司也在密切關注他們最新的ARM架構(gòu)，Cortex系列就是這樣的產(chǎn)品。在Cortex之前，ARM核心是以ARM為前綴命名的，從ARM1到ARM11，然后是Cortex系列。Cortex在英語中意味著大腦皮層，而大腦皮層是人腦的核心部分。估計ARM公司的命名就是這個意思。

  一、ARMv7架構(gòu)特點

  下表列出了ARM微處理器核心以及體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史：

  表一: ARM微處理器核心以及體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷史

  可以看到，Cortex系列屬于ARMv7架構(gòu)，這是ARM公司最新的指令集架構(gòu)，而比較熟悉的三星的S3C2410芯片是ARMv4架構(gòu)，ATMEL公司的AT91SAM9261芯片則是ARMv5架構(gòu)。

  ARMv7架構(gòu)是在ARMv6架構(gòu)的基礎上誕生的。該架構(gòu)采用了Thumb-2技術(shù)，Thumb-2技術(shù)是在ARM的Thumb代碼壓縮技術(shù)的基礎 上發(fā)展起來的，并且保持了對現(xiàn)存ARM解決方案的完整的代碼兼容性。Thumb-2技術(shù)比純32位代碼少使用 31%的內(nèi)存，減小了系統(tǒng)開銷。同時能夠提供比已有的基于Thumb技術(shù)的解決方案高出38%的性能。ARMv7架構(gòu)還采用了NEON技術(shù)，將DSP和媒 體處理能力提高了近4倍，并支持改良的浮點運算，滿足下一代3D圖形、游戲物理應用以及傳統(tǒng)嵌入式控制應用的需求。

  此外，ARMv7還支持改良的運行環(huán) 境，以迎合不斷增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptive Compilation)技術(shù)的使用。另外，ARMv7架構(gòu)對于早期的ARM處理器軟件也提供很好的兼容性。

  ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應用;“R”系列針對實時系統(tǒng);“M”系列對微控制器和低成本應用提供優(yōu)化。下圖為v5至v7架構(gòu)比較：

圖一：v5至v7架構(gòu)比較

由于應用領域不同，基于v7架構(gòu)的Cortex處理器系列所采用的技術(shù)也不相同，基于v7A的稱為Cortex-A系列，基于v7R的稱為Cortex-R系列，基于v7M的稱為Cortex-M系列。下面一一介紹。

  二、Cortex-A8

  Cortex-A8第一款基于ARMv7構(gòu)架的應用處理器。Cortex-A8是ARM公司有史以來性能最強勁的一款處理器，主頻為600MHz到1GHz。A8可以滿足各種移動設備的需求，其功耗低于300毫瓦，而性能卻高達2000MIPS。

  Cortex-A8也是ARM公司第一款超級標量處理器。在該處理器的設計當中，采用了新的技術(shù)以提高代碼效率和性能，采用了專門針對多媒體和信號處理的NEON技術(shù)。同時，還采用了Jazelle RCT技術(shù)，可以支持JAVA程序的預編譯與實時編譯。

  針對Cortex-A8，ARM公司專門提供了新的函數(shù)庫(Artisan Advantage-CE)。新的庫函數(shù)可以有效的提高異常處理的速度并降低功耗。同時，新的庫函數(shù)還提供了高級內(nèi)存泄漏控制機制。

  Cortex-A8處理器使用了先進的分支預測技術(shù)，并且具有專用的NEON整型和浮點型流水線進行媒體和信號處理。在使用小于4 mm2的硅片及低功耗的65 nm工藝的情況下，Cortex-A8處理器的運行頻率將高于600MHz(不包括NEON追蹤技術(shù)和二級高速緩沖存儲器)。在高性能的90 nm和65 nm工藝下，Cortex-A8處理器運行頻率最高可達1 GHz，能夠滿足高性能消費產(chǎn)品設計的需要。

  Cortex-A8第一次為低費用、高容量的產(chǎn)品帶來了臺式機級別的性能。當前最新的IPHONE手機和ANDROID手機里的處理器就是基于Cortex-A8內(nèi)核的芯片。

  Cortex-A8的系統(tǒng)框圖如下：

圖二：Cortex-A8的系統(tǒng)框圖

  更詳細的框圖如下：

圖三：Cortex-A8的詳細系統(tǒng)框圖

  三、Cortex-R4

  Cortex-R4是ARM開發(fā)的超標量結(jié)構(gòu)的ARM內(nèi)核，主要面向?qū)崟r控制領域，如汽車剎車控制等，這一領域要求處理器響應中斷的實時性高，并且 要盡可能的節(jié)約成本，而很多客戶要求不需過多提高工作頻率，就能提高運算性能，因此在Cortex-R4的設計過程中，工作頻率的最佳點位是 300MHz。再高的話，不僅需要高速內(nèi)存，而且時鐘樹的設計也更為復雜。

  結(jié)果，判斷合理的做法就是采用超標量結(jié)構(gòu)，增加單位周期所執(zhí)行的指令平均數(shù)。Cortex-R4單位工作頻率的運算性能為 1.62MIPS(按Dhrystone換算)/MHz，比ARM9的約1.2MIPS/MHz大幅提高。Cortex-R4電路規(guī)模只是比ARM9略有 增加，但是可以實現(xiàn)更接近于Cortex-A8的運算性能。

  Cortex-R4系統(tǒng)框圖如下所示：

圖四：Cortex-R3系統(tǒng)框圖

  四、Cortex-M3

  ARM Cortex-M系列則是為那些對開發(fā)費用非常敏感同時對性能要求小斷增加的嵌入式應用(如微控制器、汽車車身控制系統(tǒng)和各種大型家電)所設計的，主要面向單片機領域，可以說是51單品機的完美替代品。

  Cortex-M3系統(tǒng)框圖如下所示：

圖五：Cortex-M3系統(tǒng)框圖

  Cortex-M3的速度比ARM7快三分之一，功耗低四分之三，并且能實現(xiàn)更小芯片面積，利于將更多功能整合在更小的芯片尺寸中。Cortex- M3處理器結(jié)合了執(zhí)行Thumb-2指令的32位哈佛微體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)外設，包括Nested Vec-tored Interrupt Controller和Arbiter總線。該技術(shù)方案在測試和實例應用中表現(xiàn)出較高的性能：在臺機電180 nm工藝下，芯片性能達1.2 DMIPS/MHz，時鐘頻率高達100 MHz。

在工控領域，用戶要求具有更快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，完全基于硬件進行中斷處理，最多可減少12個時鐘周期數(shù)，在實際應用中可減少 70%中斷。

  五、總結(jié)

  ARM Cortex處理器系列都是基于ARMv7架構(gòu)的產(chǎn)品，從尺寸和性能方而來看，既有少于33000個門電路的Cortex-M系列，也有高性能的 Cortex-A系列。其中，Cortex-A系列是針對日益增長的，運行包括Linux、Windows，CE和Symbian操作系統(tǒng)在內(nèi)的消費娛樂 和無線產(chǎn)品設計的;ARM Cortex-R系列針對的是需要運行實時操作系統(tǒng)來進行控制應用的系統(tǒng)，包括汽車電子、網(wǎng)絡和影像系統(tǒng);ARM Cortex-M系列則面向微控制器領域，為那些對開發(fā)費用非常敏感同時對性能要求不斷增加的嵌入式應用所設計的?？梢婋S著在各種不同領域應用需求的增 加，微處理器市場也在趨于多樣化。