详解ARM Cortex-A32处理器 打造超高能效嵌入式环境

Cortex-A32是ARM架构中独一无二的产品，拥有重要地位。Cortex-A32基于ARMv8-A架构，却是针对32位设计的处理器。下图介绍了Cortex-A32与ARMv8-A架构的匹配程度，并与Cortex-A35进行了对比。

图一：Cortex-A32和ARMv8-A

基于上述，Cortex-A35可以实现两种执行态，分别为32位AArch32及64位AArch64，从而充分发挥ARMv8-A架构的64位操作能力;相对比，Cortex-A32仅支持32位AArch32执行态，这一决定不仅进一步压缩产品面积，对于不需要64位操作能力的用例，还可以带来显著的功耗优化。

无可否认，部分嵌入式应用可以从64位获益，但许多其他应用都是32位的，将来很长一段时间市场也会依旧如此，Cortex-A32则专为这些应用程序量身打造。

AArch32执行态是早期Cortex-A处理器所用ARMv7-A架构的升级版。尽管不具备64位功能，但在其它某些功能却得到显著增强，使 Cortex-A32与Cortex-A7和Cortex-A5相比更加高效;对基于更早ARM处理器的设计演变，或聚焦嵌入式市场的全新设计来说，都是理想的选择。

对比ARMv7-A，AArch32在如下方面得到强化：

添加多项新指令，密码函数性能提高;

全新的负载获取及存储释放(Load Acquire and Store Release)指令，让访存排序更高效，与全新C++11访存排序语义匹配;

额外的标量和单指令多数据结构(SIMD)浮点指令;

更丰富的系统控制指令。

对比早期的32位ARMv7-A处理器，Arrch32这些额外特性使其具备更佳的性能。

Cortex-A32总线接口上的高级一致性扩展(Advanced Coherency Extensions，ACE)使其可以利用Cortex-A32构建支持完全一致的多处理器系统，按需升级，以实现更高的性能。不过，如果产品面积与功耗是最主要的限制因素，Cortex-A32也提供专门针对单处理器应用优化的版本， 移除一致性逻辑，实现更高功效。

经过大物理地址扩展(Large Physical Address Extension，LPAE)，Cortex-A32的可寻址内存空间得到扩展，超过Cortex-A5的32位(4GB)，达到40位物理地址空间。

核心本身配置了额外的高级功能，进一步提高效率。其中包括更灵活的功耗管理、更优化的电源域和保留电源门控(retention power gating)的延伸使用。

ARMv7-M 主要特性

ARM Cortex-M处理器基于ARMv7-M架构(Cortex-M0和Cortex-M0+ 采用类似的ARMv6-M架构)。虽然与早期的ARM架构有众多相似之处，但ARMv7-M经过专门打造，更适合深度嵌入、低成本的实时微处理器应用。因此，早期架构的很多功能被删除，并添加了新的特性，以构建更符合“微控制器”环境的编程模式。

对比前代处理器(例如备受欢迎的ARM7TDMI)，变化具体如下：

1.操作模式数量显著减少，从7种甚至更多减至2种：仅保留处理器模式与线程模式。其中一种模式(处理器模式)可以默认为优先采用。

2.寄存器文件简化。虽然编程器可用的寄存器数量实质上仍然是16个，但前代架构使用的分组寄存器机制明显减少，因此两种操作模式寄存的只有栈指针(r13)。是否使用寄存拷贝可自行设置。

3.异常模式的变化最为明显。由于典型的微控制器应用可能会出现大量的芯片外设中断，基于此，全新架构中的所有Cortex-M核心都配置了标准嵌套中断向量控制器(Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC)。类似的，根据记载处理器地址的向量表，异常处理模式也被标准化。上下文保存和恢复操作完全在硬件中实现，进一步简化编写中断处理器的软件任务。基于上述，实现过程中的干扰性延迟发生几率被降到极低，且高度可预测。

4.与前代ARM处理器类似，ARMv7-M定义了可选内存保护架构。同时，因为裸金属系统或在实时操作系统(RTOS)下运行的系统通常不需要虚拟内存，ARMv7-M并不为其提供支持。

5.为协助实时操作系统(RTOS)的实现和移植，一些标准的片上外围设备也在架构中获得定义，例如SysTick timer。

6.为进一步缩小处理器核心面积，ARMv7-M处理器仅采用Thumb指令集(包括Thumb-2指令集扩展)。

ARMv8-A AArch32 主要特性

Cortex-A处理器基于ARMv7-A或ARMv8-A架构。ARMv8-A处理器支持AArch32执行态，是32位ARMv7-A架构的兼容升级。这些架构的设计添加了专属特性，比如虚拟内存环境，以支持包括Linux、Android、Windows等的平台操作系统。

对比Cortex-M处理器核心，Cortex-A独特之处包括：

1.拥有7种或更多操作模式：用户、管理器、IRQ、FIQ、未定义、中止、系统。每种模式都可以处理一项具体事件，例如，IRQ模式被用于处理IRQ 中断。AArch32还支持另外两种模式：Hyp 和监视器，这两种模式分别用于虚拟化及ARM TrustZone。

2.虽然可以使用的寄存器数量同样是16个，但AAr