嵌入式處理器的體系架構與內(nèi)核

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應用到當今各個領域，與我們的生活息息相關，小到掌上的數(shù)字產(chǎn)品，大到汽車、航天飛機。 提到嵌入式系統(tǒng)我們很快會聯(lián)想到單片機，不錯，MCU是最基礎和常用的嵌入式系統(tǒng)，但是目前像FPGA、ARM、DSP、MIPS等其他嵌入式系統(tǒng)應用越來越廣泛。嵌入式系統(tǒng)與模擬電路或其他功能電路組成的SoC（System on Chip，片上系統(tǒng)）或SiP（System in Package，系統(tǒng)級封裝）在手機、機頂盒等功能復雜的產(chǎn)品上的應用也越來越多。

總的來說，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)如下特點：由8位處理向32位過渡，由單核向多核過渡，向網(wǎng)絡化功能發(fā)展，MCU、FPGA、ARM、DSP等齊頭并進，嵌入式操作系統(tǒng)呈多元化趨勢，所有的嵌入式處理器都是基于一定的架構的，即IP核（Intellectual Property，知識產(chǎn)權），生產(chǎn)處理器的廠家很多，但擁有IP核的屈指可數(shù)。有自己的IP核，光靠賣IP核即可坐擁城池。 嵌入式系統(tǒng)的架構有專有架構和標準架構之分，在MCU（微控制器）產(chǎn)品上，像瑞薩（Renesas）、飛思卡爾（Freescale）、NEC都擁有自己得專有IP核，而其他嵌入式處理器都是基于標準架構。

嵌入式處理器的體系架構與內(nèi)核詳解

當我們談及嵌入式處理器的體系架構時，一般都是想到Intel的X86架構和ARM公司的ARM架構。X86架構和ARM架構最大的不同點就是使用的指令集不同，前者使用的CISC指令集，后者使用的是RISC指令集，還有一點就是X86架構使用的是馮諾依曼結構，ARM架構既使用馮諾依曼結構，也使用哈佛結構（已經(jīng)成了一種趨勢）。何為架構？這兩個字看起來很簡單，不就是“骨架+結構”，但是個人覺得并不好理解。百度上把架構分為邏輯架構，物理架構和系統(tǒng)架構。對于處理器，當起發(fā)展到一定程度時，這種物理架構不會有很大的變化。以CPU為例，它主要由邏輯部件+寄存器部件+控制部件組成，這種結構在發(fā)展穩(wěn)定之后，就不會有大多的改變。那么人們常說的架構版本更新主要體現(xiàn)在哪里呢？指令集。當然還有如存儲器管理特性改進等因素，以ARM處理器架構為例，如圖1為其進化史。

可以看到其架構一路從V4→V7版本，其中V7版本分三路發(fā)展，A系列，R系列，M系列。再看圖2看其處理器指令的演進史：

可以發(fā)現(xiàn)，在V4T版本時增加了Thumb指令集，剛好可以對應處理器的Thumb狀態(tài)，到了V5E版本，加入了增強型的DSP指令，V6版本可謂是ARM指令演進史上的一件大事，有了Thumb-2的問世。其實之前的16位Thumb指令集就32位ARM指令集的一個功能子集，到了Thumb-2，以其強大，輕佻和高效，16位指令首次與32位指令并存，再也不需要因為處理器模式的變換而造成指令集變換。從ARM-Cortex-M3將全身的處理能力托付給Thumb-2指令集就可以看出，Thunmb-2指令集的強大。

處理器架構與處理器內(nèi)核有什么區(qū)別？“處理器內(nèi)核”中的處理器應該是MCU?！疤幚砥骷軜嫛敝械奶幚砥骺梢允歉鼜V義的 Processing Unit。而當我們談及內(nèi)核時首先應該是針對某一系列的MCU。拿STM32系列MCU來說，它們是基于ARM-Cortex-M3為內(nèi)核的。而內(nèi)核主要談其流水線和結構。如ARM7內(nèi)核是0.9MIPS/MHZ的三級流水線和馮諾依曼結構，ARM9是1.1MIPS/MHZ的5級流水線哈佛結構。通過圖3可以更直觀的發(fā)現(xiàn)內(nèi)核與MCU的關系。

ARM內(nèi)核和架構都是什么意思，它們到底是什么關系？

ARM產(chǎn)品越來越豐富，命名也越來越多。很多朋友提問： ARM內(nèi)核和架構都是什么意思？內(nèi)核和架構的關系是什么？比如ARMv7架構，這個架構指的是什么？小編選出了幾個精彩回答！希望對嵌友們在選擇設計電路時有所幫助。

1.ARM內(nèi)核：從ARM7、ARM9到Cortex-A7、A8、A9、A12、A15再到Cortex-A53、A57等，總之不同版本 ARM 有不同的想法。比如為高速度設計的Cortex A8、A9都是ARMv7a 架構;Cortex M3、M4是ARMv7m架構;前者是內(nèi)核，后者是指令集的架構。

2.ARM的架構都是基于RISC指令集而架構的，而其內(nèi)核只是實現(xiàn)這一指令集的硬件架構的基礎，Thumb-2指令集架構（ISA）的子集，包含所有基本的16位 和32位Thumb-2指令、 、哈佛處理器架構，在加載/存儲數(shù)據(jù)的同時能夠執(zhí)行指令取指，帶分支預測的三級流水線等。

3.好比你蓋房子，剛開始因為水平低流行蓋平房，這就是一種架構（V5T），然后這種平房架構你可以設計出一款獨立衛(wèi)生間的款式， 這叫ARM7內(nèi)核。 然后其他人（芯片設計公司）想蓋房子的就買你這個圖紙去蓋，接著過一段時間，有人覺得光獨立衛(wèi)生間還不夠啊， 我還想有個小院子！ 好吧，那ARM就滿足你們的要求，出個帶小院子的款式（ARM9）。

又過了很久， 這種平房的架構就隨著大伙的需求一直改啊改啊，后來經(jīng)過ARM研究發(fā)現(xiàn)： 現(xiàn)在大伙蓋房子的能力duang duang直升啊（包括工藝、設計能力、時鐘主頻），只蓋這種平房施展不開??！ 好吧，ARM為了不讓這幫設計的人閑著，就推出一種二三層樓房的樣式， 這因為跟平房設計結構完全不一樣嘛， 那就叫一種新的架構（ARMv6），同樣這種樓房樣式ARM也為大家準備了帶游泳池的和帶車庫的款式（ARM11），好吧繼續(xù)改啊改啊， 改到后來大家已經(jīng)開始有能力蓋十層以上的大樓了。 ARM一如既往地出了新的款式（ARMv7架構）， 這時ARM覺得以前名字都太土鱉了， 什么ARM5、 ARM6、 ARM7—又難聽又難記， 我要取個看起來牛逼的名字， 咱至少也算個能設計摩天大樓的主兒了， 于是后面的內(nèi)核都叫Cortex。

改名只是一部分， 隨著這個架構出來后， ARM發(fā)現(xiàn)以前用咱們圖紙蓋出的樓也就做個民宅， 民宅圖個啥？ 實惠嘛（功耗低）。 現(xiàn)在不一樣了，現(xiàn)在咱的圖紙蓋得樓不僅可以做民宅，還可以做軍事基地、 還可以做高檔寫字樓， 以前這些高級功能的樓房可是只有小英（英特爾）才能設計出來的??！為了滿足這些不同的需求， ARM把這個架構設計出來的款式分成3個系列（M系列、R系列、A系列）。M系列是為民宅設計的， 因為老百姓圖實惠嘛， 這種設計就設計個十層左右（功耗低）; R系列是為軍事基地設計的， 這種樓設計的也不高— 十層左右吧， 但是關鍵是要對特殊情況要有快速反應的能力（中斷快）; 最后A系列是給商業(yè)大佬用的， 那當然是要高端大氣上檔次， 就是要性能高，各種LED燈燈光秀啊都給我上。