ARM Cortex-M33處理器的五大特色

基于ARM® Cortex® 處理器的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案適用于多種嵌入式設(shè)計細(xì)分市場，如物聯(lián)網(wǎng)、電機(jī)控制、醫(yī)療、汽車、家電自動化等。我們的處理器品種豐富且基于同一個標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，針對不同的產(chǎn)品市場提供廣泛而豐富的性能與成本組合。Cortex系列處理器主要基于3大產(chǎn)品類型量身開發(fā)，A系列：運行復(fù)雜系統(tǒng)的精細(xì)高端應(yīng)用;R系列：高性能硬實時系統(tǒng);M系列：低功耗、確定性、成本敏感的微控制器，專門優(yōu)化以滿足其需求。

最先采用ARMv8-M架構(gòu)的2款處理器為Cortex-M23和Cortex-M33。本文主要介紹Cortex-M33， Cortex-M33是首款采用TrustZone® 安全技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的ARMv8-M全功能實現(xiàn)處理器。該處理器可以支持大量靈活的配置選項，并在廣泛應(yīng)用中進(jìn)行部署，此外還提供專用的協(xié)同處理器界面以支持經(jīng)常需要加速和大量運算的運作。Cortex-M33是一款在性能、功耗、安全與生產(chǎn)力之間達(dá)到最佳平衡的處理器。

為了顯著降低系統(tǒng)功耗，Cortex-M33處理器采用有序三階管線技術(shù)。大部分指令在頭兩個階段就能完成，而復(fù)雜的指令則需要3個階段。此外，某些16位指令將采用雙發(fā)射機(jī)制，以增強(qiáng)性能。處理器內(nèi)核有兩個AMBA® 5 AHB5界面：C-AHB和S-AHB，完全對稱，指令和數(shù)據(jù)提取性能不分伯仲。

Cortex-M33的配置高度靈活，可以滿足廣泛的系統(tǒng)要求

在MPU、DSP、FPU、TrustZone、ETM、MTB、ITM、BPU、DWT和協(xié)同處理器界面功能中選擇最佳組合方案，設(shè)計師即可迅速打造強(qiáng)大系統(tǒng)。在最低限度的控制系統(tǒng)中，NVIC可以被設(shè)定成只容納一個外部中斷;而在周邊設(shè)備豐富的系統(tǒng)中，NVIC能夠設(shè)定成可容納至多480個外部中斷，包含至多256個優(yōu)先級。而對于那些依賴大量主動流程和線程以保持可靠運行的系統(tǒng)，設(shè)計師還可以增加MPU，用特權(quán)和非特權(quán)接入控制來強(qiáng)行隔離處理進(jìn)程。如需更高級別的代碼、數(shù)據(jù)和資源保護(hù)， TrustZone則是設(shè)計師的不二之選。

應(yīng)用復(fù)雜度越來越高，片上調(diào)試和追蹤技術(shù)的價值也日益凸顯，對保障產(chǎn)品按期交付至關(guān)重要。Cortex-M33處理器的內(nèi)置調(diào)試功能可以加速軟件驗證。設(shè)計師可以用JTAG端口或雙插針串行調(diào)試端口來驗證系統(tǒng)，還可以選擇ETM或MTB進(jìn)行出色的指令追蹤，而BPU和DWT則可以允許在調(diào)試中使用斷點和硬件觀測點。

現(xiàn)在，讓我們探討一下Cortex-M33的五大特色：

1 – 為ARMv8-M 量身優(yōu)化的TrustZone技術(shù)為整個系統(tǒng)的安全保駕護(hù)航

采用TrustZone技術(shù)的Cortex-M33處理器擁有兩個安全狀態(tài)及多種相關(guān)特色：

安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)的全面利用，必將開啟眾多新機(jī)遇和新應(yīng)用的大門。該系統(tǒng)使用的高價值專利固件可以在安全狀態(tài)下運行。在安全狀態(tài)下設(shè)置的監(jiān)管員代碼則可以在系統(tǒng)受到攻擊或不可靠運行后將其恢復(fù)初始;而非安全側(cè)則像以前一樣向正在用Cortex-M開發(fā)軟件的數(shù)百萬開發(fā)者開放。

2 –協(xié)同處理器界面，實現(xiàn)高擴(kuò)展性

對某些應(yīng)用而言，專用運算起到的作用可謂非同小可;但為了實現(xiàn)專用運算，這個全球最強(qiáng)大設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)的所有優(yōu)點必須完美保留，即允許設(shè)計師在開發(fā)工具、編譯器、調(diào)試器、操作系統(tǒng)和中間件之間最大限度的進(jìn)行選擇。ARM生態(tài)系統(tǒng)可以幫助開發(fā)商節(jié)約時間和成本，進(jìn)一步提高生產(chǎn)力。

Cortex-M33處理器包含一個可以選配、類似總線的專用界面，主要用于集成緊耦合加速器硬件。對需要頻繁運算的操作而言，該界面可以幫助設(shè)計師用自定義的處理硬件提升通用運算能力。須著重指出的是，這樣做并不會使整個生態(tài)系統(tǒng)分裂。該界面包含最多可用于8個協(xié)同處理器的控制和數(shù)據(jù)通路，發(fā)出的信號可顯示處理器的特權(quán)狀態(tài)和安全狀態(tài)、指令類型、相關(guān)寄存器和操作字段。協(xié)同處理器通常會合理的在幾個少數(shù)循環(huán)內(nèi)完成，或在后臺運行并在完成時自動停止。操作的細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)可以通過該界面與單指令同時傳輸，如有需要，還可插入等待狀態(tài)。

3 – 用于任務(wù)隔離的存儲保護(hù)單元(MPU)

設(shè)計師可以自行對選配的MPU編程，為每個安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)提供多達(dá)16個區(qū)域。在多任務(wù)環(huán)境中，操作系統(tǒng)可以在任務(wù)情境切換時重新編程MPU，為每個任務(wù)定義存儲訪問許可。比如說，某個應(yīng)用的某個任務(wù)只被允許訪問某些應(yīng)用數(shù)據(jù)和特定的周邊設(shè)備，這種情況下，MPU將保護(hù)所有其他的存儲和周邊設(shè)備，將訛誤或未授權(quán)訪問阻擋在外，有效提升系統(tǒng)可靠性。

存儲區(qū)設(shè)置更簡易

Cortex-M33存儲保護(hù)架構(gòu)的開發(fā)基于受保護(hù)的存儲系統(tǒng)架構(gòu)PMSAv8。最新版本搭載了針對各區(qū)域的基線與限值比較器，而非此前的二次方尺寸對齊模型。每個區(qū)域都有一個基線的初始地址、終止地址，以及訪問許可和存儲性質(zhì)的設(shè)定值，因此在這一架構(gòu)中，設(shè)計師設(shè)計MPU區(qū)域時再也無需顧慮將多個區(qū)域整合在一起的麻煩了。功能強(qiáng)化后，軟件開發(fā)變得更加簡單，客戶的使用意愿提升，編程步驟也得以減少，并將進(jìn)而降低情境轉(zhuǎn)換次數(shù)。

4 – DSP拓展

選配的整數(shù)DSP拓展可以為系統(tǒng)增加85個新指令。大多數(shù)情況下，DSP指令可將性能平均提升3倍，讓所有以數(shù)字信號控制為中心的應(yīng)用性能突飛猛進(jìn)。

為幫助設(shè)計師加速軟件開發(fā)，ARM將在CMSIS項目中提供免費的DSP庫，包含整套過濾、轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)功能(如矩陣)，并支持多種數(shù)據(jù)類型。CMSIS項目是開源的，其開發(fā)詳情發(fā)布在github上。

5 – 單精度浮點單元

基于FPv5的選配單精度浮點拓展單元包括一份額外的16-入口 64位寄存器文件。該拓展新增45個與IEEE754-2008兼容的單精度浮點指令。使用浮點指令通?？蓪④浖炱骄阅芴嵘?0倍。FPU位于單獨的電源域，負(fù)責(zé)在整個單元不使用的時候切斷電源。

Cortex-M33是一款能在性能、功耗和安全之間實現(xiàn)最佳平衡的處理器。

嵌入式解決方案日益復(fù)雜，而它們帶來的價值也不斷凸顯，當(dāng)今設(shè)計師面臨的挑戰(zhàn)是在相沖突的設(shè)計要素之間找到最佳平衡。此外，片上系統(tǒng)包含的軟件數(shù)量正在顯著增加，但項目開發(fā)時間卻不斷縮短。為了用更短的時間交付合格的產(chǎn)品，保證性能，減少成本，我們必須踏出正確的第一步。

Cortex-M33應(yīng)運而生，為了邁出正確的第一步量身打造，ARM將過往經(jīng)驗與現(xiàn)有的Cortex-M生態(tài)系統(tǒng)完美結(jié)合，實現(xiàn)了開發(fā)成本降低。得益于采用了多種低功耗技術(shù)的全新設(shè)計，首先降低的是系統(tǒng)功耗;對打造安全方案的用戶，TrustZone技術(shù)則為其應(yīng)用和寶貴的IP提供保駕護(hù)航的堅實基礎(chǔ)。升級后的MPU和TrustZone共同提升系統(tǒng)的可靠性和保護(hù)能力。最后值得一提的是，我們永遠(yuǎn)不會停止追求生產(chǎn)力的腳步。TrustZone的設(shè)計初衷便是保證當(dāng)前用戶能夠像從前一樣，繼續(xù)在非安全領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)。Cortex-M33還強(qiáng)化了調(diào)試與追蹤性能，使復(fù)雜代碼的操作更便捷。與所有其它Cortex-M處理器一樣，Cortex-M33的所有編程都可以在C語言環(huán)境下完成，包括全部異常處理程序?？偠灾?，上述功能誕生的目的都是為了幫助開發(fā)者提高生產(chǎn)力，在更短的時間內(nèi)設(shè)計出更復(fù)雜的解決方案。

在定義并開發(fā)新一代處理器的過程中，許多芯片廠商成為了ARM的合作伙伴，并積極利用TrustZone安全技術(shù)設(shè)計芯片。ARM生態(tài)系統(tǒng)也將重點放在將工具和軟件移植到Cortex-M33。盡管Cortex-M33已經(jīng)在性能、功耗、安全和生產(chǎn)力之間取得了最佳平衡，但ARM及其合作伙伴將繼續(xù)努力，為開發(fā)商提供更加出色的產(chǎn)品，幫助其揮展創(chuàng)意、實現(xiàn)遠(yuǎn)見，營造更連通、更智能、更安全的世界。