嵌入式处理器的体系架构与内核

嵌入式系统已经广泛地应用到当今各个领域，与我们的生活息息相关，小到掌上的数字产品，大到汽车、航天飞机。 提到嵌入式系统我们很快会联想到单片机，不错，MCU是最基础和常用的嵌入式系统，但是目前像FPGA、ARM、DSP、MIPS等其他嵌入式系统应用越来越广泛。嵌入式系统与模拟电路或其他功能电路组成的SoC（System on Chip，片上系统）或SiP（System in Package，系统级封装）在手机、机顶盒等功能复杂的产品上的应用也越来越多。

总的来说，嵌入式系统发展呈现如下特点：由8位处理向32位过渡，由单核向多核过渡，向网络化功能发展，MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进，嵌入式操作系统呈多元化趋势，所有的嵌入式处理器都是基于一定的架构的，即IP核（Intellectual Property，知识产权），生产处理器的厂家很多，但拥有IP核的屈指可数。有自己的IP核，光靠卖IP核即可坐拥城池。 嵌入式系统的架构有专有架构和标准架构之分，在MCU（微控制器）产品上，像瑞萨（Renesas）、飞思卡尔（Freescale）、NEC都拥有自己得专有IP核，而其他嵌入式处理器都是基于标准架构。

嵌入式处理器的体系架构与内核详解

当我们谈及嵌入式处理器的体系架构时，一般都是想到Intel的X86架构和ARM公司的ARM架构。X86架构和ARM架构最大的不同点就是使用的指令集不同，前者使用的CISC指令集，后者使用的是RISC指令集，还有一点就是X86架构使用的是冯诺依曼结构，ARM架构既使用冯诺依曼结构，也使用哈佛结构（已经成了一种趋势）。何为架构？这两个字看起来很简单，不就是“骨架+结构”，但是个人觉得并不好理解。百度上把架构分为逻辑架构，物理架构和系统架构。对于处理器，当起发展到一定程度时，这种物理架构不会有很大的变化。以CPU为例，它主要由逻辑部件+寄存器部件+控制部件组成，这种结构在发展稳定之后，就不会有大多的改变。那么人们常说的架构版本更新主要体现在哪里呢？指令集。当然还有如存储器管理特性改进等因素，以ARM处理器架构为例，如图1为其进化史。

可以看到其架构一路从V4→V7版本，其中V7版本分三路发展，A系列，R系列，M系列。再看图2看其处理器指令的演进史：

可以发现，在V4T版本时增加了Thumb指令集，刚好可以对应处理器的Thumb状态，到了V5E版本，加入了增强型的DSP指令，V6版本可谓是ARM指令演进史上的一件大事，有了Thumb-2的问世。其实之前的16位Thumb指令集就32位ARM指令集的一个功能子集，到了Thumb-2，以其强大，轻佻和高效，16位指令首次与32位指令并存，再也不需要因为处理器模式的变换而造成指令集变换。从ARM-Cortex-M3将全身的处理能力托付给Thumb-2指令集就可以看出，Thunmb-2指令集的强大。

处理器架构与处理器内核有什么区别？“处理器内核”中的处理器应该是MCU。“处理器架构”中的处理器可以是更广义的 Processing Unit。而当我们谈及内核时首先应该是针对某一系列的MCU。拿STM32系列MCU来说，它们是基于ARM-Cortex-M3为内核的。而内核主要谈其流水线和结构。如ARM7内核是0.9MIPS/MHZ的三级流水线和冯诺依曼结构，ARM9是1.1MIPS/MHZ的5级流水线哈佛结构。通过图3可以更直观的发现内核与MCU的关系。

ARM内核和架构都是什么意思，它们到底是什么关系？

ARM产品越来越丰富，命名也越来越多。很多朋友提问： ARM内核和架构都是什么意思？内核和架构的关系是什么？比如ARMv7架构，这个架构指的是什么？小编选出了几个精彩回答！希望对嵌友们在选择设计电路时有所帮助。

1.ARM内核：从ARM7、ARM9到Cortex-A7、A8、A9、A12、A15再到Cortex-A53、A57等，总之不同版本 ARM 有不同的想法。比如为高速度设计的Cortex A8、A9都是ARMv7a 架构;Cortex M3、M4是ARMv7m架构;前者是内核，后者是指令集的架构。

2.ARM的架构都是基于RISC指令集而架构的，而其内核只是实现这一指令集的硬件架构的基础，Thumb-2指令集架构（ISA）的子集，包含所有基本的16位 和32位Thumb-2指令、 、哈佛处理器架构，在加载/存储数据的同时能够执行指令取指，带分支预测的三级流水线等。

3.好比你盖房子，刚开始因为水平低流行盖平房，这就是一种架构（V5T），然后这种平房架构你可以设计出一款独立卫生间的款式， 这叫ARM7内核。 然后其他人（芯片设计公司）想盖房子的就买你这个图纸去盖，接着过一段时间，有人觉得光独立卫生间还不够啊， 我还想有个小院子！ 好吧，那ARM就满足你们的要求，出个带小院子的款式（ARM9）。

又过了很久， 这种平房的架构就随着大伙的需求一直改啊改啊，后来经过ARM研究发现： 现在大伙盖房子的能力duang duang直升啊（包括工艺、设计能力、时钟主频），只盖这种平房施展不开啊！ 好吧，ARM为了不让这帮设计的人闲着，就推出一种二三层楼房的样式， 这因为跟平房设计结构完全不一样嘛， 那就叫一种新的架构（ARMv6），同样这种楼房样式ARM也为大家准备了带游泳池的和带车库的款式（ARM11），好吧继续改啊改啊， 改到后来大家已经开始有能力盖十层以上的大楼了。 ARM一如既往地出了新的款式（ARMv7架构）， 这时ARM觉得以前名字都太土鳖了， 什么ARM5、 ARM6、 ARM7—又难听又难记， 我要取个看起来牛逼的名字， 咱至少也算个能设计摩天大楼的主儿了， 于是后面的内核都叫Cortex。

改名只是一部分， 随着这个架构出来后， ARM发现以前用咱们图纸盖出的楼也就做个民宅， 民宅图个啥？ 实惠嘛（功耗低）。 现在不一样了，现在咱的图纸盖得楼不仅可以做民宅，还可以做军事基地、 还可以做高档写字楼， 以前这些高级功能的楼房可是只有小英（英特尔）才能设计出来的啊！为了满足这些不同的需求， ARM把这个架构设计出来的款式分成3个系列（M系列、R系列、A系列）。M系列是为民宅设计的， 因为老百姓图实惠嘛， 这种设计就设计个十层左右（功耗低）; R系列是为军事基地设计的， 这种楼设计的也不高— 十层左右吧， 但是关键是要对特殊情况要有快速反应的能力（中断快）; 最后A系列是给商业大佬用的， 那当然是要高端大气上档次， 就是要性能高，各种LED灯灯光秀啊都给我上。