“看不见”的霸主ARM Cortex-M7详解

今天，ARM正式发布了Cortex-M7处理器或微控器(MCU)。虽然只有一个字母不同，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该系列处理器被广泛认可，严格性能移动应用的应用处理器。Cortex-M、Cortex-R则是ARM其他两种主要产品均为嵌入式，前者为微控制器，后者为实时处理器。

Cortex-A、Cortex-M/R最大的区别是后两者没有内存管理单位(MMU)。其主要任务是在处理器和内存之间架桥，实现物理地址和虚拟地址转换，Linux(Android)、Windows、Mac OS X、iOS通用目的操作系统需要它才能正常工作。

Cortex-M/R实时操作系统(RTOS)。

虽然不起眼，虽然很低调，Cortex-M其实系列比Cortex-A无论出货规模还是应用范围还是应用范围都要广得多，Cortex-A建立一个完整的平台通常需要他们的合作。

事实上，它存在于你周围的大量电子设备中，通常有很多设备Cortex-M芯片，只是你没注意到。从智能恒温器、智能手表、电源管理单元到汽车和卫星，它们都在里面。

诺基亚微软Lumia Glance Screen、SensorCore，摩托罗拉Moto Voice、Moto Display，苹果iPhone M在这些技术的实现背后，不是应用处理器贡献更大，而是MCU。

Cortex-M该系列诞生于2004年，第一代被称为Cortex-M3.到目前为止，Cortex-M处理器出货量已达80亿颗，超过其他一切ARM加起来的处理器总和！去年一年达到29亿，今年上半年达到17亿，速度越来越快。

Cortex-M授权企业也增加到175家。

【Cortex-M7架构解析】

虽然很小很小，M7的主要使命是高性能，声称达到了前所未有的水平，同时保持系列一贯的超小面积和超低功耗。

提高性能的原因，ARM一是希望与传统的8/16产品进一步拉开档次(M7 32位)，二是满足下一个可能的爆发点:物联网(IoT)、特别是可穿戴设备的增强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，对于传统的工业控制、汽车等应用领域来说，如鱼得水。

架构上，M7.具有单精度、双精度浮点单元、指令及数据缓存、分支预测等六级、顺序、双发射超标流水线SIMD支持和紧密耦合内存(TCM)。

指令和数据缓存，分支预测，TCM以前没有M系列。MCU通常不考虑缓存，有时甚至使用闪存作为唯一的内存接口。添加高性能指令和数据缓存(最多64KB)，M7开始接近典型的高性能处理器设计。

TCM之前也只在A、R该系列可用于扩展M有效缓存7，最大容量16MB，是MCU物理内存映射的一部分。

它可以具有真正的缓存性能，但其内容直接由开发人员控制，可以通过中断服务请求等方式放置一些关键代码和数据进行访问，性能非常高。

分支预测的加入则可以让M7用于独立的DSP服务。代码运行始终打开MCU几乎总是循环。如果没有分支预测器，代码必须不断评估循环状态，但其中99.9%的结果是同一条路径。当然，分支预测器会消耗一些核心区域，但对于DSP值得使用。

由于ARM Cortex处理器只销售授权，具体产品取决于合作伙伴的实现，因此无法准确讨论面积、功耗、性能等指标，也无法估计。

AMD唯一提到的是能耗比和以前一样，所以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这两个系列通常是共存和合作的，前者通常被视为协处理器，ARMA系列不如说是协处理器，因为MCU永远在线，应用处理器不一定。

据此，ARM可穿戴系统架构分为三个等级，最基本的只有MCU，而且没有A系列这样的应用处理器，比如手表等。

事实上，它涉及到如何设计IoT、可穿戴设备平台的问题。在性能和功耗之前，你需要选择最合适的架构和平台来权衡你需要什么。

由于刚刚兴起，目前专门针对IoT、可穿戴平台不多，很多产品直接挪用传统平台，问题很多，尤其是电池寿命普遍不好。

比如说A15，ARM建议操作1.2GHz频率左右，但为了追求高性能，许多制造商选择加压和提频，功耗自然会上升。类似地，如果将该平台放入可穿戴设备中，则无法保证电池寿命。

就连苹果的Apple Watch他们只能坚持一天，但他们的处理器S1也很神秘，期待着它的设计。

对此，ARM还提出了一系列指导芯片制造商如何重用的建议A7、A5.优化可穿戴设备的设计，特别是至少切断一半的核心区域和频率。

ARM还建议通过软件优化将具体任务转移给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性能提升到新的水平，并将进一步提升DSP单个32位的角色被纳入倒置ARM指令集的CPU其中。丰富的性能和功能可以使设备制造商更加依赖MCU，尽量少用应用处理器，自然可以提高整体功耗，甚至做出以前无法想象的产品。

ARM还改进了M中断延迟7，并提供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会知道这种套件有多贵。

主要MCU芯片制造商中的Atmel、已经购买了飞思卡尔和意法半导体Cortex-M7的授权，NXP、相信德州仪器很快就会跟上。

未来的可穿戴肯定会更精彩。