详解“看不见”的霸主ARM Cortex-M7

          今天，ARM正式发布了Cortex-M7处理器，或者确切地说是微型控制器(MCU)。虽然只有一个字母的不同，但它和Cortex-A系列完全属于两个世界，确切地说是一个更大的世界。

      ARM Cortex-A系列处理器广为认知，严格来说它属于应用处理器，针对高性能移动应用。Cortex-M、Cortex-R则是ARM旗下的另外两个主力产品，都针对嵌入式，前者属于微型控制器，后者属于实时处理器。

      Cortex-A、Cortex-M/R最大的不同就是后两者没有内存管理单元(MMU)。它的主要任务是在处理器、内存之间架起一座桥梁，执行物理地址、虚拟地址转换，Linux(Android)、Windows、Mac OS X、iOS等通用目的操作系统都需要它才能正常工作。

    Cortex-M/R搭配的则是实时操作系统(RTOS)。

      虽然不起眼，虽然很低调，Cortex-M系列其实要比Cortex-A系列更猛，无论出货规模还是应用范围都要广得多，Cortex-A也经常需要它们的配合才能构建完整平台。

      事实上，你身边的大量电子设备里都有它的身影，而且往往很多设备上有很多颗Cortex-M芯片，只是你没注意过罢了。小到智能恒温器、智能手表、电源管理单元，大到汽车、卫星，里边都是它们。

      诺基亚微软Lumia Glance Screen、SensorCore，摩托罗拉Moto Voice、Moto Display，苹果iPhone M协处理器，这些技术的实现背后，贡献更大的其实并不是应用处理器，恰恰就是MCU。

       Cortex-M系列诞生于2004年，第一代叫做Cortex-M3。迄今为止，Cortex-M处理器出货量已达80亿颗，超过其他所有ARM处理器加起来的总和！去年一年这个数字就达29亿颗，今年上半年更是已有17亿颗，速度越来越快。

      Cortex-M授权企业也已经增至175家。

【Cortex-M7架构解析】

        虽然很小很小，M7的首要使命却是高性能，号称达到了前所未有的水平，同时还要维持该系列一贯的超小面积、超低功耗。

       之所以努力提升性能，ARM一是希望和传统的8/16位产品进一步拉开档次(M7 32位的)，二就是满足可能的下一个爆发点：物联网(IoT)、可穿戴设备，特别是增强了DSP处理能力后，M7比以往更适合作为音频和视觉传感中心。

       当然，对于传统的工控、汽车等应用领域，它也是如鱼得水。 

    架构上，M7具备六级、顺序、双发射超标量流水线，拥有单精度、双精度浮点单元、指令和数据缓存、分支预测、SIMD支持、紧耦合内存(TCM)。

         指令和数据缓存、分支预测、TCM都是以往M系列上没有的。MCU经常不考虑缓存，有时候甚至将闪存作为唯一的内存接口。通过加入高性能的指令和数据缓存(最大均为64KB)，M7开始向典型的高性能处理器设计靠拢。

    TCM之前也只在A、R系列上存在，可以用来扩展M7的有效缓存，最大容量16MB，是MCU物理内存映射的一部分。

    它可以拥有真正缓存的性能，但其内容是直接由开发者控制的，可以放置一些关键的代码和数据供，通过中断服务请求等途径来访问，而且性能很高。

    分支预测的加入则可以让M7用于独立的DSP服务。代码运行在始终开启的MCU上时，几乎总是会不停循环。如果没有分支预测器，代码必须不断评估循环状况，但其中99.9％的时候结果都是同一路径。当然了，分支预测器会消耗一些核心面积，但对于DSP应用来说是值得的。

    由于ARM Cortex处理器都是只卖授权，具体产品得看合作伙伴的实现情况，因此现在没办法确切地讨论面积、功耗、性能等指标，也没办法估算。

    AMD唯一提到的就是能耗比和以前是同样的水平，那么鉴于理论性能增加了50-70％，功耗也会付出这么大的代价。

Cortex-M系列指令集

Cortex-M系列面积、性能、功耗 

【M+A双剑合璧】

    M、A两大系列往往是共存协作的，前者经常被视为协处理器，ARM则认为还不如说A系列是协处理器，因为MCU永远都会在线，应用处理器则不一定。

    据此，ARM将可穿戴系统架构分成了三个档次，最基本的只有MCU，而没有A系列这样的应用处理器，比如手环、简单手表等。

      这里其实涉及到如何设计IoT、可穿戴设备平台的问题。你需要选择一个最合适的架构、平台，在性能、功耗之前权衡，看自己究竟需要什么。

    因为刚刚兴起，目前专门针对IoT、可穿戴的平台还不多，很多产品都直接挪用了传统平台，问题自然很多，尤其是普遍糟糕的电池续航。

    比如说A15，ARM的建议是运行在1.2GHz左右频率，但为了追求高性能，很多厂商都选择了加压提频，功耗自然也上去了。类似的，如果将这种平台放到可穿戴设备里，自然无法保证续航。

    就连苹果的Apple Watch都只能坚持一天，但其处理器S1还比较神秘，很期待它是怎么设计的。

      对此，ARM也提出了一系列建议，指导芯片厂商如何重新利用A7、A5，针对可穿戴设备进行优化设计，特别是将核心面积、频率砍掉至少一半。

      ARM还建议，通过软件优化，将特定任务转交给MCU，能将平台功耗减少最多85％。看，说到底还是鼓励大家多用Cortex-M。

【结语】

      Cortex-M7将MCU的性能提升到了新的档次，而且进一步将DSP的角色纳入倒了单独一个32位ARM指令集的CPU之中。性能、功能的丰富，可以让设备厂商更多地依赖MCU，应用处理器则尽量少用，自然能改进整体功耗，甚至做出以前不敢想象的产品。

     ARM还改进了M7的中断延迟，并提供了一些安全标准认证套件，包括ISO 26262(汽车)、IEC 61508。有这方面工作经验的朋友都会知道，这类套件有多么昂贵。

主要MCU芯片厂商中的Atmel、飞思卡尔、意法半导体都已经购买了Cortex-M7的授权，NXP、德州仪器相信也会很快跟上。

未来的可穿戴肯定会更精彩。