基于ARM Cortex 處理器的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案適用于多種嵌入式設(shè)計(jì)細(xì)分市場(chǎng)，如物聯(lián)網(wǎng)、電機(jī)控制、醫(yī)療、汽車、家電自動(dòng)化等。我們的處理器品種豐富且基于同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，針對(duì)不同的產(chǎn)品市場(chǎng)提供廣泛而豐富的性能與成本組合。Cortex系列處理器主要基于3大產(chǎn)品類型量身開(kāi)發(fā)，A系列：運(yùn)行復(fù)雜系統(tǒng)的精細(xì)高端應(yīng)用；R系列：高性能硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)；M系列：低功耗、確定性、成本敏感的微控制器，專門優(yōu)化以滿足其需求。

　　最先采用ARMv8-M架構(gòu)的2款處理器為Cortex-M23和Cortex-M33。本文主要介紹Cortex-M33， Cortex-M33是首款采用TrustZone 安全技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的ARMv8-M全功能實(shí)現(xiàn)處理器。該處理器可以支持大量靈活的配置選項(xiàng)，并在廣泛應(yīng)用中進(jìn)行部署，此外還提供專用的協(xié)同處理器界面以支持經(jīng)常需要加速和大量運(yùn)算的運(yùn)作。Cortex-M33是一款在性能、功耗、安全與生產(chǎn)力之間達(dá)到最佳平衡的處理器。

　　為了顯著降低系統(tǒng)功耗，Cortex-M33處理器采用有序三階管線技術(shù)。大部分指令在頭兩個(gè)階段就能完成，而復(fù)雜的指令則需要3個(gè)階段。此外，某些16位指令將采用雙發(fā)射機(jī)制，以增強(qiáng)性能。處理器內(nèi)核有兩個(gè)AMBA 5 AHB5界面：C-AHB和S-AHB，完全對(duì)稱，指令和數(shù)據(jù)提取性能不分伯仲。

　　Cortex-M33的配置高度靈活，可以滿足廣泛的系統(tǒng)要求

　　在MPU、DSP、FPU、TrustZone、ETM、MTB、ITM、BPU、DWT和協(xié)同處理器界面功能中選擇最佳組合方案，設(shè)計(jì)師即可迅速打造強(qiáng)大系統(tǒng)。在最低限度的控制系統(tǒng)中，NVIC可以被設(shè)定成只容納一個(gè)外部中斷；而在周邊設(shè)備豐富的系統(tǒng)中，NVIC能夠設(shè)定成可容納至多480個(gè)外部中斷，包含至多256個(gè)優(yōu)先級(jí)。而對(duì)于那些依賴大量主動(dòng)流程和線程以保持可靠運(yùn)行的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師還可以增加MPU，用特權(quán)和非特權(quán)接入控制來(lái)強(qiáng)行隔離處理進(jìn)程。如需更高級(jí)別的代碼、數(shù)據(jù)和資源保護(hù)， TrustZone則是設(shè)計(jì)師的不二之選。

　　應(yīng)用復(fù)雜度越來(lái)越高，片上調(diào)試和追蹤技術(shù)的價(jià)值也日益凸顯，對(duì)保障產(chǎn)品按期交付至關(guān)重要。Cortex-M33處理器的內(nèi)置調(diào)試功能可以加速軟件驗(yàn)證。設(shè)計(jì)師可以用JTAG端口或雙插針串行調(diào)試端口來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)，還可以選擇ETM或MTB進(jìn)行出色的指令追蹤，而B(niǎo)PU和DWT則可以允許在調(diào)試中使用斷點(diǎn)和硬件觀測(cè)點(diǎn)。

　　·MPU存儲(chǔ)保護(hù)單元

　　·DSP數(shù)字信號(hào)處理

　　·FPU 浮點(diǎn)單元

　　·SP 單精度

　　·ETM 嵌入式跟蹤宏單元

　　·MTB 微追蹤緩沖器

　　·BPU 斷點(diǎn)單元

　　·DWT 數(shù)據(jù)觀測(cè)與追蹤單元

　　·ITM 儀器追蹤宏單元

　　·NVIC 嵌套向量中斷控制器

　　·WIC 喚醒中斷控制器

　　·AHB 先進(jìn)高性能總線

　　·AMBA 先進(jìn)微控制器總線架構(gòu)

　　現(xiàn)在，讓我們探討一下Cortex-M33的五大特色：

　　1 – 為ARMv8-M 量身優(yōu)化的TrustZone技術(shù)為整個(gè)系統(tǒng)的安全保駕護(hù)航

　　采用TrustZone技術(shù)的Cortex-M33處理器擁有兩個(gè)安全狀態(tài)及多種相關(guān)特色：

　　兩種全新的正交狀態(tài)

　　·安全狀態(tài)

　　·非安全狀態(tài)

　　·4個(gè)堆棧和4個(gè)堆棧指示寄存器

　　·硬件堆棧極限檢查

　　·支持安全屬性單元（SAU）的可編程MPU

　　·用于發(fā)出系統(tǒng)安全指示的界面

　　·被預(yù)先設(shè)定的接入點(diǎn)限制的非安全（NS）領(lǐng)域中可以看見(jiàn)安全代碼

　　·其它硬件轉(zhuǎn)向非安全領(lǐng)域時(shí)可以自動(dòng)保存并清除安全寄存器的狀態(tài)

　　·大量堆積中斷或異?？刂?，SysTick

　　·安全和非安全側(cè)都配備存儲(chǔ)保護(hù)單元

　　安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)的全面利用，必將開(kāi)啟眾多新機(jī)遇和新應(yīng)用的大門。該系統(tǒng)使用的高價(jià)值專利固件可以在安全狀態(tài)下運(yùn)行。在安全狀態(tài)下設(shè)置的監(jiān)管員代碼則可以在系統(tǒng)受到攻擊或不可靠運(yùn)行后將其恢復(fù)初始；而非安全側(cè)則像以前一樣向正在用Cortex-M開(kāi)發(fā)軟件的數(shù)百萬(wàn)開(kāi)發(fā)者開(kāi)放。

　　2 –協(xié)同處理器界面，實(shí)現(xiàn)高擴(kuò)展性

　　對(duì)某些應(yīng)用而言，專用運(yùn)算起到的作用可謂非同小可；但為了實(shí)現(xiàn)專用運(yùn)算，這個(gè)全球最強(qiáng)大設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)的所有優(yōu)點(diǎn)必須完美保留，即允許設(shè)計(jì)師在開(kāi)發(fā)工具、編譯器、調(diào)試器、操作系統(tǒng)和中間件之間最大限度的進(jìn)行選擇。ARM生態(tài)系統(tǒng)可以幫助開(kāi)發(fā)商節(jié)約時(shí)間和成本，進(jìn)一步提高生產(chǎn)力。

　　Cortex-M33處理器包含一個(gè)可以選配、類似總線的專用界面，主要用于集成緊耦合加速器硬件。對(duì)需要頻繁運(yùn)算的操作而言，該界面可以幫助設(shè)計(jì)師用自定義的處理硬件提升通用運(yùn)算能力。須著重指出的是，這樣做并不會(huì)使整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)分裂。該界面包含最多可用于8個(gè)協(xié)同處理器的控制和數(shù)據(jù)通路，發(fā)出的信號(hào)可顯示處理器的特權(quán)狀態(tài)和安全狀態(tài)、指令類型、相關(guān)寄存器和操作字段。協(xié)同處理器通常會(huì)合理的在幾個(gè)少數(shù)循環(huán)內(nèi)完成，或在后臺(tái)運(yùn)行并在完成時(shí)自動(dòng)停止。操作的細(xì)節(jié)和數(shù)據(jù)可以通過(guò)該界面與單指令同時(shí)傳輸，如有需要，還可插入等待狀態(tài)。

　　3 – 用于任務(wù)隔離的存儲(chǔ)保護(hù)單元（MPU）

　　設(shè)計(jì)師可以自行對(duì)選配的MPU編程，為每個(gè)安全狀態(tài)和非安全狀態(tài)提供多達(dá)16個(gè)區(qū)域。在多任務(wù)環(huán)境中，操作系統(tǒng)可以在任務(wù)情境切換時(shí)重新編程MPU，為每個(gè)任務(wù)定義存儲(chǔ)訪問(wèn)許可。比如說(shuō)，某個(gè)應(yīng)用的某個(gè)任務(wù)只被允許訪問(wèn)某些應(yīng)用數(shù)據(jù)和特定的周邊設(shè)備，這種情況下，MPU將保護(hù)所有其他的存儲(chǔ)和周邊設(shè)備，將訛誤或未授權(quán)訪問(wèn)阻擋在外，有效提升系統(tǒng)可靠性。

　　存儲(chǔ)區(qū)設(shè)置更簡(jiǎn)易

　　Cortex-M33存儲(chǔ)保護(hù)架構(gòu)的開(kāi)發(fā)基于受保護(hù)的存儲(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)PMSAv8。最新版本搭載了針對(duì)各區(qū)域的基線與限值比較器，而非此前的二次方尺寸對(duì)齊模型。每個(gè)區(qū)域都有一個(gè)基線的初始地址、終止地址，以及訪問(wèn)許可和存儲(chǔ)性質(zhì)的設(shè)定值，因此在這一架構(gòu)中，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)MPU區(qū)域時(shí)再也無(wú)需顧慮將多個(gè)區(qū)域整合在一起的麻煩了。功能強(qiáng)化后，軟件開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)單，客戶的使用意愿提升，編程步驟也得以減少，并將進(jìn)而降低情境轉(zhuǎn)換次數(shù)。

　　4 – DSP拓展

　　選配的整數(shù)DSP拓展可以為系統(tǒng)增加85個(gè)新指令。大多數(shù)情況下，DSP指令可將性能平均提升3倍，讓所有以數(shù)字信號(hào)控制為中心的應(yīng)用性能突飛猛進(jìn)。

　　為幫助設(shè)計(jì)師加速軟件開(kāi)發(fā)，ARM將在CMSIS項(xiàng)目中提供免費(fèi)的DSP庫(kù)，包含整套過(guò)濾、轉(zhuǎn)換和數(shù)學(xué)功能（如矩陣），并支持多種數(shù)據(jù)類型。CMSIS項(xiàng)目是開(kāi)源的，其開(kāi)發(fā)詳情發(fā)布在github上。

　　5 – 單精度浮點(diǎn)單元

　　基于FPv5的選配單精度浮點(diǎn)拓展單元包括一份額外的16-入口 64位寄存器文件。該拓展新增45個(gè)與IEEE754-2008兼容的單精度浮點(diǎn)指令。使用浮點(diǎn)指令通常可將軟件庫(kù)平均性能提升10倍。FPU位于單獨(dú)的電源域，負(fù)責(zé)在整個(gè)單元不使用的時(shí)候切斷電源。

　　Cortex-M33是一款能在性能、功耗和安全之間實(shí)現(xiàn)最佳平衡的處理器。

　　嵌入式解決方案日益復(fù)雜，而它們帶來(lái)的價(jià)值也不斷凸顯，當(dāng)今設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是在相沖突的設(shè)計(jì)要素之間找到最佳平衡。此外，片上系統(tǒng)包含的軟件數(shù)量正在顯著增加，但項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間卻不斷縮短。為了用更短的時(shí)間交付合格的產(chǎn)品，保證性能，減少成本，我們必須踏出正確的第一步。

　　Cortex-M33應(yīng)運(yùn)而生，為了邁出正確的第一步量身打造，ARM將過(guò)往經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)有的Cortex-M生態(tài)系統(tǒng)完美結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)發(fā)成本降低。得益于采用了多種低功耗技術(shù)的全新設(shè)計(jì)，首先降低的是系統(tǒng)功耗；對(duì)打造安全方案的用戶，TrustZone技術(shù)則為其應(yīng)用和寶貴的IP提供保駕護(hù)航的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。升級(jí)后的MPU和TrustZone共同提升系統(tǒng)的可靠性和保護(hù)能力。最后值得一提的是，我們永遠(yuǎn)不會(huì)停止追求生產(chǎn)力的腳步。TrustZone的設(shè)計(jì)初衷便是保證當(dāng)前用戶能夠像從前一樣，繼續(xù)在非安全領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)發(fā)。Cortex-M33還強(qiáng)化了調(diào)試與追蹤性能，使復(fù)雜代碼的操作更便捷。與所有其它Cortex-M處理器一樣，Cortex-M33的所有編程都可以在C語(yǔ)言環(huán)境下完成，包括全部異常處理程序?？偠灾?，上述功能誕生的目的都是為了幫助開(kāi)發(fā)者提高生產(chǎn)力，在更短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出更復(fù)雜的解決方案。

　　在定義并開(kāi)發(fā)新一代處理器的過(guò)程中，許多芯片廠商成為了ARM的合作伙伴，并積極利用TrustZone安全技術(shù)設(shè)計(jì)芯片。ARM生態(tài)系統(tǒng)也將重點(diǎn)放在將工具和軟件移植到Cortex-M33。盡管Cortex-M33已經(jīng)在性能、功耗、安全和生產(chǎn)力之間取得了最佳平衡，但ARM及其合作伙伴將繼續(xù)努力，為開(kāi)發(fā)商提供更加出色的產(chǎn)品，幫助其揮展創(chuàng)意、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)見(jiàn)，營(yíng)造更連通、更智能、更安全的世界。