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Cortex-R 系列

Cortex-R 系列 Image
ARM® Cortex®-R 实时处理器为要求可靠性、高可用性、容错功能、可维护性和实时响应的嵌入式系统提供高性能计算解决方案。

Cortex-R 系列处理器通过已经在数以亿计的产品中得到验证的成熟技术提供极快的上市速度,并利用广泛的 ARM 生态系统、全球和本地语言以及全天候的支持服务,保证快速、低风险的产品开发。

许多应用都需要 Cortex-R 系列的关键特性,即:

  • 高性能:与高时钟频率相结合的快速处理能力
  • 实时:处理能力在所有场合都符合硬实时限制
  • 安全:具有高容错能力的可靠且可信的系统
  • 经济实惠:可实现最佳性能、功耗和面积的功能。

Cortex-R 处理器的应用示例

 

 


业界标准

ARM Cortex-R 系列处理器为各种深层嵌入式半导体应用市场设置了业界标准,并且在全球半导体业拥有众多授权厂商。单击这些徽标可了解有关已授权使用 Cortex-R 处理器的某些 ARM 半导体合作伙伴的信息:

Broadcom   Fujitsu   Infineon   LSI  Renesas Texas Instruments   Toshiba

Cortex-R4Cortex-R5 和 Cortex-R7 处理器的基础是深层嵌入式市场和实时市场(如汽车安全或无线基带)所要求的主要功能,即高性能、实时性、安全性和经济实惠的处理。

Cortex-R 系列概述:

高性能 - 可快速执行复杂代码和 DSP 功能:

  • 高性能、高时钟频率、深度流水化的微架构
  • 双核多处理 (AMP/SMP) 配置
  • 用于超高性能 DSP 和媒体功能的硬件 SIMD 指令

实时 - 可以保证响应速度和高吞吐量的确定性操作:

  • 快速、有界且确定性的中断响应
  • 用于获得快速响应代码/数据的处理器本地的紧密耦合内存 (TCM)
  • 可加快中断进入速度的低延迟中断模式 (LLIM)

安全 - 检测错误并保证可靠的系统运行:

  • 具有内存保护单元 (MPU) 的用户和授权软件操作模式
  • 用于 1 级内存系统及总线的 ECC 和奇偶校验错误检测/更正
  • 双核锁步 (DCLS) 冗余内核配置

经济实惠 - 通过加快上市速度和可定制功能:

  • 同类最佳的能效和芯片面积/成本效益
  • 可包括/排除某些功能以优化功耗、性能和面积的配置
  • 通过带嵌入式 trace 模块选项的 CoreSight™ 调试访问端口,使用可配置的调试断点和检测点进行快速开发和测试

Cortex-R 系列特性:

  • 深度流水化微架构
  • 性能增强技术,如指令预取、分支预测和超标量执行
  • 硬件除法器、浮点单元 (FPU) 选项
  • 硬件 SIMD DSP
  • 带有 Thumb-2 指令的 ARMv7-R 架构,可在不牺牲性能的前提下实现高代码密度
  • 带指令和数据 cache 控制器的哈佛架构
  • 用于获得快速响应代码和数据(例如中断处理程序)的处理器本地的紧密耦合内存 (TCM)
  • 高性能 AMBA®3 AXI™ 总线接口

Cortex-R 系列与 Cortex-A 和 Cortex-M 系列的区别:

Cortex-R 系列处理器与 Cortex-M 和 Cortex-A 系列处理器都不相同。显而易见,Cortex-R 系列处理器提供的性能比 Cortex-M 系列提供的性能高得多,而 Cortex-A 系列专用于具有复杂软件操作系统(需使用虚拟内存管理)的面向用户的应用。

 


Comparing Cortex-M processors

 

Cortex-M processors
ARM Cortex-R4 ARM Cortex-R5 ARM Cortex-R7 

 1.66 DMIPS/MHz

 1.66 DMIPS/MHz

2.50 DMIPS/MHz

Lockstep configuration

Lockstep configuration
Dual-core Asymmetric Multi-Processing (AMP) configuration

Lockstep configuration
Dual-core Asymmetric Multi-Processing (AMP) with QoS configuration
Dual core Symmetric Multi-Processing (SMP) configuration

Tightly Coupled Memory (TCM)

Tightly Coupled Memory (TCM)
Low Latency Peripheral Port Accelerator Coherency PortMicro Snoop Control Unit (µSCU)

Tightly Coupled Memory (TCM)
Low Latency Peripheral Port Accelerator Coherency PortSnoop Control Unit (SCU)

8 stage dual issue  pipeline with instruction pre-fetch and branch prediction

8 stage dual issue  pipeline with instruction pre-fetch and branch prediction

11-stage superscalar pipeline with out-of-order execution and register renaming and advanced dynamic and static branch prediction with instruction loop buffer

I-Cache and D-Cache

I-Cache and D-Cache

I-Cache and D-Cache

Hardware divide, SIMD, DSP

Hardware divide, SIMD, DSP

Hardware divide, SIMD, DSP

IEEE754 Double Precision FPU

IEEE754 Double Precision FPU or optimized SP Floating Point Unit

IEEE754 Double Precision FPU or optimized SP Floating Point Unit

Memory Protection Unit (MPU) with 8 or 12 memory regions

Memory Protection Unit (MPU) with 12 or 16 memory regions

Memory Protection Unit (MPU) with 12 or 16 memory regions

ECC and Parity protection on L1 memories

ECC and Parity protection on L1 memories and AXI bus ports

ECC and Parity protection on L1 memories
Error management with error bank

Vectored Interrupt Controller (VIC) Port

Vectored Interrupt Controller (VIC) or Generic Interrupt Controller (GIC)

Integrated Generic Interrupt Controller (GIC)

Cortex-R series processors are all binary compatible, enabling software reuse and a seamless progression from one Cortex-R processor to another as functionality and/or additional processing power is required.


Cortex-R 系列应用

Cortex-R 系列处理器是为要求苛刻的实时解决方案而设计的,通常用于以下市场上的 ASIC、ASSP 和 MCU 片上系统应用:

产品类型 应用
汽车 气囊、制动、稳定性、仪表盘、引擎管理     
存储 硬盘驱动器控制器、固态驱动器控制器
移动手机 3G、4G、LTE、WiMax 智能手机基带调制解调器
嵌入式 医疗、工业、高端微控制器单元 (MCU)
企业 网络和打印机;喷墨和多功能打印机
家庭 数字电视蓝光播放器和便携式媒体播放器
相机 数码相机 (DSC) 和数码摄像机 (DVC)

这些应用展示了一个常见的处理要求集,下列应用示例对该处理需求集进行了说明:

汽车

汽车电子控制单元 (ECU) 普遍应用于当今所有车辆。除了引擎管理和娱乐应用以外,对车辆稳定性、操控性、防抱死制动 (ABS)、防撞和气囊展开等辅助驾驶和安全系统应用的依赖也在不断增加。这些系统需要高性能的处理,因为它们会从各种传感器读取数据,执行经常使用浮点算法的计算,并提供必要的控制信号。此外,这类系统还必须在符合实时限制方面表现出高可靠性,而且必须满足 ISO26262 等汽车安全标准方面的要求。

硬盘驱动器

硬盘驱动器也一直是对嵌入式处理器要求最高的应用之一,而 Cortex-R 系列已被主要制造商采用。企业网络和 Internet 数据中心的高增长推动着存储容量呈指数增长。此外,消费者将其大量的音乐和电影保存在 PC 磁盘和网络连接存储 (NAS) 设备上。更多的数据需要更高的带宽,而最新的驱动器支持的数据流量能够以 5Gbps 的速度使用 USB-3,以 6Gbps 的速度使用 SATA。在驱动器中,高速伺服控制系统对磁盘旋转和磁头位置进行管理,读/写通道以非常高的数据速率对信号进行处理。

移动

手机也引入了高速数据无线宽带,以便为用户提供功能丰富的音频、视频和 Internet 服务。第四代手机处理和移动技术的长期发展 (LTE) 需要复杂的软件协议堆栈实时运行,从而管理移动性、连接性、安全性、数据流量和空中接口调制解调器。高级的多核 SoC 使用 Cortex-R 系列处理器来执行这些任务,从而补充了针对用户应用的 Cortex-A 系列处理器的不足。低成本和功耗一直是移动手机产品的关键成功标准。


Cortex-R 系列技术

Cortex-R 实时处理器技术由包含 ARM Thumb®-2 指令集的 ARMv7-R 架构定义,可在不牺牲性能的前提下提供高代码密度。此架构可在具有特定功能的 Cortex-R 系列处理器中实现,用以满足高性能和硬实时应用,如下所示:

高性能

针对实时应用的快速、高效和高频率

  • Cortex-R7 2.5 DMIPS/MHz
  • Cortex-R4 和 Cortex-R5 1.66 DMIPS/MHz
  • Cortex-R5 和 Cortex-R7 可配置为非对称多处理 (AMP)
  • Cortex-R7 可配置为对称多处理 (SMP),让性能翻倍
  • 深度流水化微架构
  • 指令预取和队列
  • 高级分支预测
  • MPCore™ 中断控制器
  • 针对并行执行的超标量执行
  • 硬件除法
  • 硬件 DSP/SIMD 指令
  • 包括双精度的浮点指令
  • 哈佛 1 级 cache
  • AMBA® AXI3™ 总线端口
  • 数据 I/O 一致性

实时

向事件和中断提供快速且具有确定性的行为以获得高可靠性

  • 与本地 RAM 和/或闪存相连的紧密耦合内存 (TCM) 接口,可存储始终能立即用于处理的指令或数据
  • 低中断延迟模式
  • 低延迟外设端口
  • GIC 或 VIC 控制器
  • 任何可将中断响应延迟超过几个周期的指令都可能会造成停止并重新启动
  • 可使用 DMA 通过专用 AXI 辅助总线接口将快速数据读入 TCM 或从 TCM 中读出

安全

可靠、可用、可信、可维护、容错且安全

  • 具有确定性和有界响应时间的中断响应
  • 锁步冗余内核配置
  • cache ECC 和奇偶校验
  • TCM ECC 和奇偶校验
  • AMBA AXI 端口 ECC 和奇偶校验
  • 硬错误 cache
  • 内存重建端口
  • 内存保护单元,通过所选的软件任务报告/禁止对特定内存区域的访问
  • 用户/授权软件操作模式
  • 异常处理模式
  • 适合在运行时必须符合 IEC61508 或 ISO 26262 中定义的安全完整性等级 (SIL) 的系统中使用
  • 在汽车应用中,这些系统将运行与 AUTOSAR 兼容的 RTOS

经济实惠

可在功能丰富且对成本敏感的应用中进行灵活的成本和能效配置

  • 低功耗微架构
  • 可实现高代码密度的 ARM 或 Thumb®-2 代码
  • 目标从低功耗/小芯片面积到高性能
  • 综合功能配置可让设计者选择处理器功能以精确匹配应用要求
  • 这些选项使 Cortex-R 系列处理器可以满足范围广泛的嵌入式应用,设计者可以根据最终设备的功耗、面积和成本权衡功能和性能。例如:

市场细分

 

存储

移动基带

图像处理/无线

汽车

HDD

智能手机

相机路由器

汽车

内存保护单元

是,12 个区域

cache

有时

ECC/奇偶校验

TCM 端口

三个

三个

二个

浮点单元

断点和检测点

最小

中等

最大

最大


Cortex-R 系列优点

选择 ARM Cortex-R 系列的主要好处是该系列提供了全面的处理器、物理 IP 和工具,并且 ARM 能有经验地为顾客提供支持以便于帮助他们尽快开发出产品。各种处理器和技术是最普遍、最成熟的,这保证了您在 ARM 上的投资足以满足现在以及未来的所有产品要求。

ARM 提供:

  • 最广泛的低功耗处理器和物理 IP 解决方案的组合
  • 通过全球各地使用本地语言的全天候支持服务快速获得专业知识
  • 可供选择的众多经验丰富的生态系统合作伙伴

ARM 可实现:

  • 通过系统配置(而不是复杂的集成)实现产品快速开发
  • 能满足能耗、性能、面积等要求的选择和可配置性
  • 通过减少工程时间和投入来降低拥有成本

ARM 合作伙伴可实现:

  • 通过完整解决方案和集成系统支持加快上市时间
  • 重复利用开发投资实现差异化的产品
  • 通过最广泛的 IP 产品和未来可长久使用的路线图使风险降到最低

ARM 帮助我们的合作伙伴取得成功的记录:

  • 业界标准的处理器技术
  • 在全球半导体行业中广泛的合作伙伴关系
  • 数百万开发人员和无与伦比的生态系统

 

 

ARM 产品系列

当前的一项主要任务是将带有嵌入式处理器的新产品以尽可能最快的速度和最便宜的价格推向市场。处理器内核只是必须快速开发和验证的复杂的系统硬件和软件组合中的一个方面。ARM 能提供完整的系统解决方案,并且在全球各地使用本地语言提供全天候的支持服务,从而加快您产品的上市速度。针对一种 ARM 处理器和系统开发的软件能快速移植到其他处理器和系统,从而保护您在软件上的投资。

ARM 对 Cortex-R 处理器的实现和开发提供全面支持,范围涵盖 CoreLink™ 系统 IPCoreSight™ 调试和 trace IPArtisan® 物理 IPARM 开发工具

ARM 体系

加快产品上市速度通常需要以并行模式进行复杂的硬件和软件开发,并且进行全面的系统验证以及深入的系统调试和分析。ARM 在业界拥有最广泛的生态系统,共有 1000 多家合作伙伴提供工具和服务,可以加快您产品的开发速度。合作伙伴类别包括:

  • 芯片
    • 半导体供应商
    • 代工服务
    • SoC IP 提供商
  • 设计支持
    • 硬件开发工具
    • 软件开发工具
    • EDA - 设计工具
    • 服务(SoC 和 SW 设计)
    • 工具经销商
  • 软件
    • 应用软件
    • 中间件
    • 操作环境及低阶 SW
  • 培训

ARM Connected Community 成员和其他组织为 Cortex-R 处理器提供工具和软件,如编译器、调试器和实时操作系统。还有特定硬件和软件产品(如微控制器硬件和移动基带协议堆栈软件)的提供商。单击以下徽标可了解详细信息:

Code Sourcery   ENEA      Green Hills   Hitex   IAR   Lauterbach         

ARM 支持

可以借助一系列灵活的技术服务,加快硬件和软件的开发速度:

  • 面向工程师的免费在线资源,如技术参考手册、应用程序说明和教程、FAQ 和知识文章及下载
  • ARM 专家现场提供技术产品培训和主动协助项目服务
  • 全球支持和维护,全天候为客户解决问题

ARM 提供的全面解决方案可快速支持合作伙伴并解决任何系统集成和开发问题 - 与许多不同供应商一起解决系统问题并不会耽误时间。


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