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单片机架构和指令集的知识-【32位ARM核Cortex系列】
发布时间:2024-02-19 11:08:27 来源:江南官方体育APP下载 作者:江南app官方网站

  中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。而指令集的先进与否,也关系到CPU的性能发挥,它也是CPU性能体现的一个重要标志。

  因为芯片与IDE都遵循相同的指令集标准,所以高级语言编写的程序经指定编译器编译后能直接运行在对应的CPU上,反之则不能运行。

  复杂指令集的特点是指令长度不固定,执行需要多个周期;其有很多用于特定目的的专用寄存器处理器能够直接处理寄存器中的数据。

  精简指令集的特点是:一个周期执行一条指令,指令长度固定,通过简单指令的组合实现复杂的操作;其寄存器多是通用寄存器。精简指令集主要用于嵌入式处理器上。

  其中ARM指令集是目前用得最多的。ARM家族占比所有32位嵌入式处理器的75%,成为占全世界最多数的32位架构。

  消费性电子产品,例如可携式装置(PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏,和计算机),电脑外设(硬盘、桌上型路由器),甚至导弹的弹载计算机等军用设施。

  ARM V7:采用了NEON技术,将DSP和媒体处理能力提高了近4倍。并支持改良的浮点运算。

  在嵌入式方面,MIPS K系列微处理器是仅次于ARM的用得最多的处理器之一(1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器),其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。

  RISC-V指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的现实情况来实做,但并没有对特定的微架构做过度的设计。

  主流的架构为x86与ARM架构为了能够保持架构的向后兼容性,其不得不保留许多过时的定义,导致其指令数目多。而RISC-V架构则能完全抛弃包袱,从轻上路。

  完全开源:开源采用宽松的BSD协议,企业完全自由免费使用,同时也容许企业添加自有指令集拓展而不必开放共享以实现差异化发展。

  易于移植:RISC-V提供了详细的特权级指令规范和用户级指令规范的详细信息,使开发者能非常方便的移植linux和unix系统到RISC-V平台。

  模块化设计:RISC-V其不同的部分以模块化的方式组织在一起,用户能够灵活选择不同的模块组合,来实现自己定制化设备的需要。

  完整的工具链:芯片设计公司不再担心工具链问题,只需专注于芯片设计,RISC-V社区已经提供了完整的工具链。

  指令集是一个很深层次的概念,在这之上我们还需要了解一个与此相关的概念:微架构(Microarchitecture),上面RISC-V的介绍中也有提到这个概念。

  微架构其就是我们常说的xxx内核(注:内核有两种概念,一种是硬件层面的概念,另一种是软件层面的概念。这里指的是硬件层面的概念),比如STM32F103的内核是ARM Cortex-M3内核就是一种微架构。

  显然不是的。针对于不同的应用场景如高性能、低功耗等不同的场景,可以基于同一套指令集设计出不同的微架构。

  架构层级方面,只有几个手机方面的芯片厂商可以玩得起。目前只有几个头部芯片能获得ARM架构层级的授权:

  其中,高通、三星曾采用ARM公版+自研架构的组合,但现在基本放弃自研架构,采用公版ARM微架构。苹果是目前是唯一一家能跟ARM这种商业模式做到五五开。

  3、ARM和苹果的渊源很深,当年苹果是ARM的创始股东之一,后来苹果陆续卖掉了ARM的股票,再后来苹果基于ARM的架构开始大搞自研芯片。其实苹果现在就是在自研,可以理解为ARM的花式魔改。

  华为目前在手机CPU方面现在并无自研微架构。华为麒麟芯片用的还是公版的ARM微架构,但现在已经被卡脖子了(停止内核层级授权),这样的形式不太乐观。

  虽然华为拥有ARMV8指令集永久授权,但之前并没有基于ARMV8自研出自己的微架构,可能已经在研发中了。

  虽然在手机CPU方面还没有自研微架构,但已有自研云端AI芯片“昇腾(Ascend )”系列,基于自研的达芬奇架构。不知道自研NPU微架构与自研CPU架构的难度差距有多大,但还是希望华为能早点自研出手机CPU微架构。

  假设之后研发成功了,也还需要长期的验证才敢投入使用,毕竟华为手机市场那么大,搭载自研微架构处理器地手机一旦翻车,损失巨大。另外,这只是拥有ARMV8指令集的永久授权,之后如果指令集更新迭代了,技术岂不是又要落后别人好几代了~

  内核层级的授权是ARM公司设计出不同的微架构,其他芯片公司可以购买这些微架构,再添加一些自己的一些外设模块,就可以设计出一个芯片。比如:

  ST公司购买了了ARM公司的Cortex-M3内核,然后加上图上的一些外设模块如TIM、IIC、SPI等这些模块之后就可以设计出STM32F103系列芯片。

  作为最低的授权等级,拥有使用授权的用户只能购买已经封装好的ARM处理器核心,而如果想要实现更多功能和特性,则只能通过增加封装之外的DSP核心的形式来实现(当然,也可以通过对芯片的再封装方法来实现)。

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