1.2 Arm处理器的分类

Arm公司根据不同的应用场景及需求，开发了一系列可广泛应用的处理器产品，设计人员可以根据需求选择最适合他们的处理器。例如，智能手机和电机控制器的应用需求截然不同，因此设计时需使用不同类型的处理器。为了满足广泛的应用需求，Arm公司还提供了多样化的Cortex处理器系列产品：

● Cortex-A系列——面向复杂系统的处理器，如Cortex-A53。Cortex-A系列可作为智能手机、PDA、机顶盒等高性能应用的处理器，支持Linux、Android、Microsoft Windows等操作系统。

● Cortex-R系列——面向实时、高性能系统的处理器，如Cortex-R52。Cortex-R具有高性能、低延迟，以及鲁棒性的特征，典型的应用场景有硬盘控制器和基带通信设备。

● Cortex-M系列——面向微控制器应用的处理器，如Cortex-M3。Cortex-M3应用于深度嵌入式和低成本领域，并且可以提供良好的性能和快速中断响应，典型的应用包括工业控制、电子消费产品（如便携式音频设备和数码相机等）。

表1.1总结了Cortex处理器的关键特征。

表1.1 Cortex处理器的关键特征

（续）

㊀ NEON是一种基于SIMD思想的Arm技术，相比于Armv6或之前的架构，NEON结合了64位和128位的SIMD指令集，提供128位的向量运算。NEON技术从Armv7开始被采用，目前可以在Arm Cortex-A和Cortex-R系列处理器中采用。NEON在Cortex-A7、Cortex-A12、Cortex-A15处理器中被设置为默认选项，但是在其余的Armv7 Cortex-A处理器中是可选项。NEON与VFP共享同样的寄存器，但它有自己的执行流水线。——译者注

㊁ SIMD（Single Instruction Multiple Data）顾名思义就是“一条指令处理多个数据（一般是以2为底的指数数量）”的并行处理技术，相比于“一条指令处理几个数据”，运算速度将会大大提高。它是Michael J. Flynn在1966年定义的四种计算机架构之一（根据指令数与数据流的关系定义，其余还有SISD、MISD、MIMD）。

许多程序都需要处理大量的数据集，这些数据很多都是由少于32位的位数来存储的，比如在视频、图形、图像处理中的8位像素数据，音频编码中的16位采样数据等。在诸如上述的情形中，很可能充斥着大量简单而重复的运算，且少有控制代码的出现，SIMD就擅长为这类程序提供更高的性能。

在32位处理器（如Cortex-A系列）上，如果不采用SIMD，则会将大量时间花费在处理8位或16位的数据上，但是处理器本身的ALU、寄存器、数据深度又是主要为了32位运算而设计的，因此NEON应运而生。——译者注

Cortex-A处理器支持Linux操作系统，Xilinx和Intel（前身是Altera）这两家公司都有可内置Cortex-A处理器子系统的FPGA产品。Cortex-M处理器则更加适用于实时性要求高的小型嵌入式系统。

Cortex-M处理器有不同类型，可以分为三个产品系列，如表1.2所示。

表1.2 不同架构的Cortex-M处理器

使用Armv6-M架构处理器能够进行一般数据处理和控制，可满足多种使用需求。

● Cortex-M0处理器是最小的Arm处理器，最低配置仅需12000门，采用3级简单流水线的冯·诺依曼总线架构，不使用特权等级分离技术，也没有存储器保护单元（Memory Protection Unit，MPU）。

● Cortex-M1处理器是类似于Cortex-M0，但针对FPGA应用优化过的处理器。它提供紧耦合存储器（Tightly-Coupled-Memory，TCM）接口以简化FPGA系统内存的集成，并提供更高的时钟频率。

● Cortex-M0+处理器同样基于Armv6-M架构，具有特权等级分离和可选的存储器保护单元。它具有可选的单周期I/O接口，用于连接需要低延迟访问的外设寄存器，还具有低成本指令跟踪模块——被称为微跟踪缓冲区（Micro Trace Buffer，MTB）。

● Cortex-M23处理器具有Arm TrustZone安全扩展机制，适用于安全性要求高的嵌入式系统。除此之外，Cortex-M23处理器相比于其他Armv6-M架构处理器还有一些增强功能，例如：

■ 附加指令（例如硬件除法、比较和分支）；

■ 支持更多中断（高达240个）；

■ 使用嵌入式跟踪宏单元（Embedded Trace Macrocell，ETM）进行实时指令跟踪；

■ 更多可配置选项。

● Cortex-M3处理器采用Armv7-M架构，更适用于复杂数据处理的场景。Armv7-M架构的指令集支持多寻址模式、条件执行、位域操作、乘法和累加（Multiply And Accumulate，MAC）等。因此，即使使用规模相对较小的Cortex-M3处理器，也可以拥有性能相对较高的系统。

● Cortex-M4处理器支持32位SIMD操作并内建可选的单精度浮点单元（Floating-Point Unit，FPU），相比于Cortex-M3更适用于密集数字信号处理或单精度浮点数操作。

● Cortex-M7处理器是当今性能最高的Cortex-M处理器，采用6级流水线和超标量设计，每个周期最多允许执行两条指令。与Cortex-M4类似，它支持32位SIMD操作并内建可选的FPU。Cortex-M7中的FPU可配置为支持单精度或单双精度并行的浮点运算。它还支持指令和数据缓存以及TCM，在复杂的内存系统中能表现出优越的性能。

● Cortex-M33处理器是一款中端的Armv8-M架构处理器，其器件规模与Cortex-M4相当，还增加了TrustZone安全扩展机制、协处理器接口和更新的流水线，以实现更高的性能。

● Cortex-M35P处理器类似于Cortex-M33处理器，但增强了防篡改功能，可以防止物理安全攻击，如旁路攻击、故障注入攻击等。它还内建了一个可选的指令缓存。

对于初学者所参与的多数项目，特别适合选用Cortex-M0、Cortex-M1或Cortex-M3处理器开展工作。

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