[導(dǎo)讀]引言筆者接觸嵌入式領(lǐng)域軟件開發(fā)已近五年，幾乎用的都是ARMCortexM內(nèi)核系列的微控制器。在這五年期間，感謝C語言編譯器的存在，讓我不用接觸匯編即可進行開發(fā)，但是彷佛也錯過了一些風景，沒有領(lǐng)域到編譯器之美和CPU之美，所以決定周末無聊的休息時間通過尋找資料、動手實驗、得出結(jié)論的...
引言
筆者接觸嵌入式領(lǐng)域軟件開發(fā)已近五年，幾乎用的都是 ARM Cortex M 內(nèi)核系列的微控制器。在這五年期間，感謝C語言編譯器的存在，讓我不用接觸匯編即可進行開發(fā)，但是彷佛也錯過了一些風景，沒有領(lǐng)域到編譯器之美和CPU之美，所以決定周末無聊的休息時間通過尋找資料、動手實驗、得出結(jié)論的方法來探索 ARM CPU 架構(gòu)的美妙，以及C語言編譯器的奧秘。（因為我個人實在是不贊同學校中微機原理類課程的教學方法）。- ARM探索之旅 | 一、帶你認識ARM Cortex-M陣營
一、Arm指令集架構(gòu)
ARM指令集架構(gòu)簡稱為ISA，支持三種指令集：A64、A32、T32。- A64指令集在 Armv8-A 中，用于支持64位架構(gòu)
- A32指令集在 Armv6 和 Armv7架構(gòu)中，稱為ARM指令集
- T32指令集在 Armv6 和 Armv7架構(gòu)中，稱為Thumb指令集
A32 Instruction Set
A32指令集，在 armv8 之前的架構(gòu)中也被稱為 「ARM 指令集，指令長度固定32位，4字節(jié)對齊」。T32 Instruction Set
T32指令集，在 armv8 之前的架構(gòu)中被稱為 Thumb 指令集。最初，ARM 指令集的長度固定為 32 位，為了改善用戶代碼的代碼密度，「Thumb 指令集被設(shè)計為 16 位指令集」，開發(fā)者可以同時使用ARM指令集和Thumb指令集來降低代碼大小。但這是兩套指令集，兩個運行狀態(tài)，需要在ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)之間來回切換，非常麻煩。
隨著時間的推移和Thumb-2技術(shù)的引入，「作為Thumb指令集的補充，ARM指令集的大部分功能都被納入到了Thumb指令，Thumb指令集演化為16位和32位混合長度指令集，稱為Thumb-2指令集」。
Thumb-2指令集的誕生，使得編譯器可以在單個指令集中平衡性能和代碼的大小，提供了極好的代碼密度，最小化系統(tǒng)內(nèi)存大小和成本。
二、Arm架構(gòu)擴展
ARM還提供了一系列的架構(gòu)擴展用于滿足下一代處理器的需求，這些擴展為ARM處理器提供了一些新的功能。DSP擴展
DSP for Cortex-M 為 ARM Cortex-M 處理器提供了高性能的「信號處理能力」，用于聲音、音頻、傳感器中樞、機器學習等場景， 不需要額外的 DSP 設(shè)備即可完成信號處理的工作。帶有 DSP 擴展的處理器包括Cortex-M4、Cortex-M7、Cortex-M33、Cortex-M35P、Cortex-M55處理器。
DSP擴展指令在 Thumb 指令集和可選的浮點運算單元的基礎(chǔ)上添加，使得在為Cortex-M處理器添加數(shù)字信號處理的同時，保持了原有Cortex-M編程模型的易用性。
SIMD指令
這些帶有DSP擴展的 Cortex-M 處理器，還提供了 「SIMD 指令」來操作8位或者16位的整數(shù)。
SIMD表示單指令多數(shù)據(jù)，在所有寄存器仍是32位的基礎(chǔ)上，「SIMD指令可以同時操作2個16 bit 的值或者4個8 bit 的值」。
工作于8位或16位數(shù)據(jù)的指令對于處理諸如視頻數(shù)據(jù)或者音頻數(shù)據(jù)的時候非常有用，因為這些數(shù)據(jù)不需要32位的寬度，SIMD指令提供了并行處理這些數(shù)據(jù)的能力。
浮點單元
ARM浮點單元技術(shù)為「半精度、單精度和雙精度的浮點運算」提供了高性能和高效率的硬件支持。Arm浮點單元使用完整的軟件庫支持，完全兼容IEEE-754標準，特別適用于對浮點計算精度要求比較高的應(yīng)用場景。
浮點數(shù)據(jù)類型的應(yīng)用場景如下：
- 汽車控制程序
- 3D圖形
- 工業(yè)控制系統(tǒng)
- 運動控制系統(tǒng)
Helium
ARM Helium 技術(shù)是ARM Cortex-M處理器系列的 M配置向量擴展，簡稱MVE，該技術(shù)是Armv8.1-M架構(gòu)的擴展，為小型嵌入式設(shè)備的機器學習應(yīng)用提供給了顯著的性能提升。Cortex-M55是首款具有該擴展的處理器。
Helium技術(shù)添加了150多個新的標量和向量指令，其中整數(shù)Helium技術(shù)使8位、16位、32位固定點數(shù)據(jù)的高效計算成為可能，16位和32位固定點格式在傳統(tǒng)的信號處理中廣泛應(yīng)用，比如音頻處理，而8位固定點格式在機器學習處理中很重要，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，圖像處理等。
同樣，Helium也支持浮點數(shù)據(jù)類型，包括單精度浮點數(shù)（32位）和半精度浮點數(shù)（16位）。
三、Cortex-M用什么指令集
講述了ARM的基本指令集和擴展指令集，是時候來回答我們提出的問題：ARM Cortex-M用什么指令集？
「ARM Cortex-M 全部系列只支持唯一的指令集：Thumb指令集或Thumb-2指令集。確切的來說，是支持T32指令集?！?br />
在Cortex-M陣營眾多的成員中，每個處理器對 Thumb/Thumb-2 指令集的支持情況不同，「大部分處理器都是支持 Thumb/Thumb-2 指令集的子集」。
Cortex-M0、Cortex M3、Cortex M4、Cortex M7系列支持的Thumb指令集如圖所示。Cortex-M23和Cortex-M33內(nèi)核支持的Thumb指令如下圖所示，圖中黃色部分表示ArmV8-M系列新增的指令：
至此，ARM探索之旅第二站就結(jié)束啦！下一站再會！
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