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(jìn)行開發(fā)，但是彷佛也錯(cuò)過了一些風(fēng)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(shí)間通過尋找資料、動(dòng)手實(shí)驗(yàn)、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?yàn)槲覀€(gè)人實(shí)在是不贊同學(xué)校中微機(jī)原理類課程的教學(xué)方法）。

• ARM探索之旅 | 一、帶你認(rèn)識(shí)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(duì)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(jì)為 16 位指令集」，開發(fā)者可以同時(shí)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(gè)運(yùn)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(shí)間的推移和Thumb-2技術(shù)的引入，「作為Thumb指令集的補(bǔ)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(gè)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(kuò)展

ARM還提供了一系列的架構(gòu)擴(kuò)展用于滿足下一代處理器的需求，這些擴(kuò)展為ARM處理器提供了一些新的功能。

DSP擴(kuò)展

DSP for Cortex-M 為 ARM Cortex-M 處理器提供了高性能的「信號(hào)處理能力」，用于聲音、音頻、傳感器中樞、機(jī)器學(xué)習(xí)等場景， 不需要額外的 DSP 設(shè)備即可完成信號(hào)處理的工作。

帶有 DSP 擴(kuò)展的處理器包括Cortex-M4、Cortex-M7、Cortex-M33、Cortex-M35P、Cortex-M55處理器。

DSP擴(kuò)展指令在 Thumb 指令集和可選的浮點(diǎn)運(yùn)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(hào)處理的同時(shí)，保持了原有Cortex-M編程模型的易用性。

SIMD指令

這些帶有DSP擴(kuò)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(shí)操作2個(gè)16 bit 的值或者4個(gè)8 bit 的值」。工作于8位或16位數(shù)據(jù)的指令對(duì)于處理諸如視頻數(shù)據(jù)或者音頻數(shù)據(jù)的時(shí)候非常有用，因?yàn)檫@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(diǎn)單元

ARM浮點(diǎn)單元技術(shù)為「半精度、單精度和雙精度的浮點(diǎn)運(yùn)算」提供了高性能和高效率的硬件支持。

Arm浮點(diǎn)單元使用完整的軟件庫支持，完全兼容IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)，特別適用于對(duì)浮點(diǎn)計(jì)算精度要求比較高的應(yīng)用場景。

浮點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(kuò)展，簡稱MVE，該技術(shù)是Armv8.1-M架構(gòu)的擴(kuò)展，為小型嵌入式設(shè)備的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用提供給了顯著的性能提升。

Cortex-M55是首款具有該擴(kuò)展的處理器。

Helium技術(shù)添加了150多個(gè)新的標(biāo)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(diǎn)數(shù)據(jù)的高效計(jì)算成為可能，16位和32位固定點(diǎn)格式在傳統(tǒng)的信號(hào)處理中廣泛應(yīng)用，比如音頻處理，而8位固定點(diǎn)格式在機(jī)器學(xué)習(xí)處理中很重要，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，圖像處理等。

同樣，Helium也支持浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型，包括單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位）和半精度浮點(diǎn)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(kuò)展指令集，是時(shí)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。」

在Cortex-M陣營眾多的成員中，每個(gè)處理器對(duì) 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(huì)！