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ARM公司白皮書(shū) 基于A(yíng)RM Cortex 處理器的片上系統（SoC）解決方案適用于多種嵌入式設計細分市場(chǎng)，如物聯(lián)網(wǎng)、電機控制、醫療、汽車(chē)、家電自動(dòng)化等。我們的處理器品種豐富且基于同一個(gè)標準架構，針對不同的產(chǎn)品市場(chǎng)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(lèi)型量身開(kāi)發(fā)，A系列：運行復雜系統的精細高端應用；R系列：高性能硬實(shí)時(shí)系統；M系列：低功耗、確定性、成本敏感的微控制器，專(zhuān)門(mén)優(yōu)化以滿(mǎn)足其需求。 最先采用ARMv8-M架構的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)和數字信號處理技術(shù)的ARMv8-M全功能實(shí)現處理器。該處理器可以支持大量靈活的配置選項，并在廣泛應用中進(jìn)行部署，此外還提供專(zhuān)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)力之間達到最佳平衡的處理器。 
為了顯著(zhù)降低系統功耗，Cortex-M33處理器采用有序三階管線(xiàn)技術(shù)。大部分指令在頭兩個(gè)階段就能完成，而復雜的指令則需要3個(gè)階段。此外，某些16位指令將采用雙發(fā)射機制，以增強性能。處理器內核有兩個(gè)AMBA 5 AHB5界面：C-AHB和S-AHB，完全對稱(chēng)，指令和數據提取性能不分伯仲。 Cortex-M33的配置高度靈活，可以滿(mǎn)足廣泛的系統要求 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，設計師即可迅速打造強大系統。在最低限度的控制系統中，NVIC可以被設定成只容納一個(gè)外部中斷；而在周邊設備豐富的系統中，NVIC能夠設定成可容納至多480個(gè)外部中斷，包含至多256個(gè)優(yōu)先級。而對于那些依賴(lài)大量主動(dòng)流程和線(xiàn)程以保持可靠運行的系統，設計師還可以增加MPU，用特權和非特權接入控制來(lái)強行隔離處理進(jìn)程。如需更高級別的代碼、數據和資源保護， TrustZone則是設計師的不二之選。 應用復雜度越來(lái)越高，片上調試和追蹤技術(shù)的價(jià)值也日益凸顯，對保障產(chǎn)品按期交付至關(guān)重要。Cortex-M33處理器的內置調試功能可以加速軟件驗證。設計師可以用JTAG端口或雙插針串行調試端口來(lái)驗證系統，還可以選擇ETM或MTB進(jìn)行出色的指令追蹤，而B(niǎo)PU和DWT則可以允許在調試中使用斷點(diǎn)和硬件觀(guān)測點(diǎn)。
• MPU存儲保護單元 • DSP數字信號處理 • FPU 浮點(diǎn)單元 • SP 單精度 • ETM 嵌入式跟蹤宏單元 • MTB 微追蹤緩沖器 • BPU 斷點(diǎn)單元 • DWT 數據觀(guān)測與追蹤單元 • ITM 儀器追蹤宏單元 • NVIC 嵌套向量中斷控制器 • WIC 喚醒中斷控制器 • AHB 先進(jìn)高性能總線(xiàn) • AMBA 先進(jìn)微控制器總線(xiàn)架構 現在，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(gè)系統的安全保駕護航 采用TrustZone技術(shù)的Cortex-M33處理器擁有兩個(gè)安全狀態(tài)及多種相關(guān)特色：
兩種全新的正交狀態(tài) • 安全狀態(tài) • 非安全狀態(tài) • 4個(gè)堆棧和4個(gè)堆棧指示寄存器 • 硬件堆棧極限檢查 • 支持安全屬性單元（SAU）的可編程MPU • 用于發(fā)出系統安全指示的界面 • 被預先設定的接入點(diǎn)限制的非安全（NS）領(lǐng)域中可以看見(jiàn)安全代碼 • 其它硬件轉向非安全領(lǐng)域時(shí)可以自動(dòng)保存并清除安全寄存器的狀態(tài) • 大量堆積中斷或異�？刂�，SysTick • 安全和非安全側都配備存儲保護單元 安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)的全面利用，必將開(kāi)啟眾多新機遇和新應用的大門(mén)。該系統使用的高價(jià)值專(zhuān)利固件可以在安全狀態(tài)下運行。在安全狀態(tài)下設置的監管員代碼則可以在系統受到攻擊或不可靠運行后將其恢復初始；而非安全側則像以前一樣向正在用Cortex-M開(kāi)發(fā)軟件的數百萬(wàn)開(kāi)發(fā)者開(kāi)放。 2 –協(xié)同處理器界面，實(shí)現高擴展性 對某些應用而言，專(zhuān)用運算起到的作用可謂非同小可；但為了實(shí)現專(zhuān)用運算，這個(gè)全球最強大設計生態(tài)系統的所有優(yōu)點(diǎn)必須完美保留，即允許設計師在開(kāi)發(fā)工具、編譯器、調試器、操作系統和中間件之間最大限度的進(jìn)行選擇。ARM生態(tài)系統可以幫助開(kāi)發(fā)商節約時(shí)間和成本，進(jìn)一步提高生產(chǎn)力。 Cortex-M33處理器包含一個(gè)可以選配、類(lèi)似總線(xiàn)的專(zhuān)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，該界面可以幫助設計師用自定義的處理硬件提升通用運算能力。須著(zhù)重指出的是，這樣做并不會(huì )使整個(gè)生態(tài)系統分裂。該界面包含最多可用于8個(gè)協(xié)同處理器的控制和數據通路，發(fā)出的信號可顯示處理器的特權狀態(tài)和安全狀態(tài)、指令類(lèi)型、相關(guān)寄存器和操作字段。協(xié)同處理器通常會(huì )合理的在幾個(gè)少數循環(huán)內完成，或在后臺運行并在完成時(shí)自動(dòng)停止。操作的細節和數據可以通過(guò)該界面與單指令同時(shí)傳輸，如有需要，還可插入等待狀態(tài)。 3 – 用于任務(wù)隔離的存儲保護單元（MPU） 設計師可以自行對選配的MPU編程，為每個(gè)安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)提供多達16個(gè)區域。在多任務(wù)環(huán)境中，操作系統可以在任務(wù)情境切換時(shí)重新編程MPU，為每個(gè)任務(wù)定義存儲訪(fǎng)問(wèn)許可。比如說(shuō)，某個(gè)應用的某個(gè)任務(wù)只被允許訪(fǎng)問(wèn)某些應用數據和特定的周邊設備，這種情況下，MPU將保護所有其他的存儲和周邊設備，將訛誤或未授權訪(fǎng)問(wèn)阻擋在外，有效提升系統可靠性。
存儲區設置更簡(jiǎn)易 Cortex-M33存儲保護架構的開(kāi)發(fā)基于受保護的存儲系統架構PMSAv8。最新版本搭載了針對各區域的基線(xiàn)與限值比較器，而非此前的二次方尺寸對齊模型。每個(gè)區域都有一個(gè)基線(xiàn)的初始地址、終止地址，以及訪(fǎng)問(wèn)許可和存儲性質(zhì)的設定值，因此在這一架構中，設計師設計MPU區域時(shí)再也無(wú)需顧慮將多個(gè)區域整合在一起的麻煩了。功能強化后，軟件開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)單，客戶(hù)的使用意愿提升，編程步驟也得以減少，并將進(jìn)而降低情境轉換次數。 4 – DSP拓展 選配的整數DSP拓展可以為系統增加85個(gè)新指令。大多數情況下，DSP指令可將性能平均提升3倍，讓所有以數字信號控制為中心的應用性能突飛猛進(jìn)。 為幫助設計師加速軟件開(kāi)發(fā)，ARM將在CMSIS項目中提供免費的DSP庫，包含整套過(guò)濾、轉換和數學(xué)功能（如矩陣），并支持多種數據類(lèi)型。CMSIS項目是開(kāi)源的，其開(kāi)發(fā)詳情發(fā)布在github上。 5 – 單精度浮點(diǎn)單元 基于FPv5的選配單精度浮點(diǎn)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(gè)與IEEE754-2008兼容的單精度浮點(diǎn)指令。使用浮點(diǎn)指令通�？蓪④浖䦷炱骄阅芴嵘�10倍。FPU位于單獨的電源域，負責在整個(gè)單元不使用的時(shí)候切斷電源。 Cortex-M33是一款能在性能、功耗和安全之間實(shí)現最佳平衡的處理器。 嵌入式解決方案日益復雜，而它們帶來(lái)的價(jià)值也不斷凸顯，當今設計師面臨的挑戰是在相沖突的設計要素之間找到最佳平衡。此外，片上系統包含的軟件數量正在顯著(zhù)增加，但項目開(kāi)發(fā)時(shí)間卻不斷縮短。為了用更短的時(shí)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應運而生，為了邁出正確的第一步量身打造，ARM將過(guò)往經(jīng)驗與現有的Cortex-M生態(tài)系統完美結合，實(shí)現了開(kāi)發(fā)成本降低。得益于采用了多種低功耗技術(shù)的全新設計，首先降低的是系統功耗；對打造安全方案的用戶(hù)，TrustZone技術(shù)則為其應用和寶貴的IP提供保駕護航的堅實(shí)基礎。升級后的MPU和TrustZone共同提升系統的可靠性和保護能力。最后值得一提的是，我們永遠不會(huì )停止追求生產(chǎn)力的腳步。TrustZone的設計初衷便是保證當前用戶(hù)能夠像從前一樣，繼續在非安全領(lǐng)域內開(kāi)發(fā)。Cortex-M33還強化了調試與追蹤性能，使復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(yǔ)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(kāi)發(fā)者提高生產(chǎn)力，在更短的時(shí)間內設計出更復雜的解決方案。 在定義并開(kāi)發(fā)新一代處理器的過(guò)程中，許多芯片廠(chǎng)商成為了ARM的合作伙伴，并積極利用TrustZone安全技術(shù)設計芯片。ARM生態(tài)系統也將重點(diǎn)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努力，為開(kāi)發(fā)商提供更加出色的產(chǎn)品，幫助其揮展創(chuàng )意、實(shí)現遠見(jiàn)，營(yíng)造更連通、更智能、更安全的世界。 |
