M 系列架构

Arm 微控制器 (MCU) 系列(M 系列)架构主要用于深度嵌入式系统。应用场景包括需要极低功耗的电池供电设备和高级图像处理等。M 系列具备低延迟、高确定性的运行特性,非常适合时间敏感型处理应用。

 

M 系列架构的版本包括 Armv8.1-MArmv8-MArmv7-MArmv6-M

Armv8.1-M

Armv8.1-M 将 Armv8-M 架构提升到了新的性能水平,同时又不影响软件开发的便捷性,也未削弱 Arm 第三方生态系统的丰富性。新架构包括 M 系列向量扩展 (MVE),可显著提升机器学习 (ML) 和数字信号处理 (DSP) 的性能水平。它实现了 M 系列处理器的简化编程器模型,为数百万开发者带来先进的计算功能。在 Arm Cortex-M 处理器中,MVE 称为 Arm Helium 技术。该架构还通过 Arm TrustZone 提升了整个系统的安全性。

 

Armv8.1-M 架构的主要特性

 

Armv8.1-M 架构包含以下特性: 

 

  • 高效的向量处理能力(称为 MVE),可加速信号处理和 ML 算法。
  • 在向量扩展中支持更多的数据类型:半精度浮点 (FP16) 和 8 位整数 (INT8)。
  • 低开销循环。
  • “聚集加载、分散存储”的内存访问方式。
  • 增加更多调试功能,包括性能监控单元(针对 DSP 软件开发专门打造)和调试扩展(在调试中支持多个安全域)。

 

架构扩展

 

Armv8.1-M 新增了几个可选的架构扩展,其中包括: 

 

  • 指针验证和分支目标识别 (PACBTI) 扩展,用于增强安全性,并为软件开发者提供新工具。
  • Helium – M 系列向量扩展 (MVE),用于当前基于 Armv8.1-M 的处理器和未来的 Arm Cortex-M 处理器。
  • 低开销分支扩展。
  • Privileged eXecute Never (PXN) 扩展,用于内存保护单元 (MPU)。
  • 可靠性、可用性和可服务性 (RAS) 扩展。
  • 其他调试功能扩展。

Armv8-M

Armv8-M 架构针对深度嵌入式系统进行了优化。它实现了专为低延迟处理而设计的编程器模型,可选择基于受保护内存系统架构 (PMSA),实现内存保护单元 (MPU),并支持 T32 指令集的变体。

 

Armv8-M 的主要特性

 

Armv8-M 架构包含以下特性: 

 

  • 新的系统级编程器模型。
  • 支持基于 PMSAv8 的可选 MPU。
  • T32 指令集的子集。
  • 多种架构扩展,可在设计和可扩展性方面实现高度的灵活性。
  • Arm 自定义指令,可用于向 Arm Cortex-M33、Cortex-M55 和 Cortex-M85 CPU 添加自定义扩展,而不会影响对 Arm 软件生态系统的访问。

 

架构扩展

 

Armv8-M 提供了几个可选的架构扩展,其中包括: 

 

  • 主扩展: 向后兼容 Armv7-M,并且是浮点扩展和 DSP 扩展的必要条件。
  • 安全扩展: 也可称为 Armv8-M 的 Arm TrustZone。
  • 浮点扩展: 需要先实现主扩展。
  • 调试扩展。
  • 数字信号处理 (DSP) 扩展: 需要先实现主扩展。
  • Arm 自定义指令:用于向部分 Cortex-M CPU(包括 Arm Cortex-M33、Cortex-M55 和 Cortex-M85 CPU)添加自定义扩展,而不会影响对 Arm 软件生态系统的访问。

Armv7-M

Armv7-M 架构有助于简化管线设计,可在广泛的市场和应用中实现不同等级的系统性能。它具有低周期数执行、最小中断延迟和无缓存运行特性,专为深度嵌入式系统而设计。它支持 T32 指令集的变体,适用于更注重整体尺寸与运行确定性而非绝对性能的实现方案。

 

Armv7-M 提供了一些可选的架构扩展,其中包括:

 

  • DSP 扩展。
  • 浮点扩展。

Armv6-M

Armv6-M 架构是 Armv7-M 的子集,具有以下特性:

 

  • 提供 Armv7-M 编程器模型的轻量级版本。
  • 提供调试扩展,包括用于调试支持的架构扩展。
  • 支持 T32 指令集。
  • 向上兼容 Armv7-M:针对 Armv6-M 开发的应用级和系统级软件无需修改,即可直接在 Armv7-M 上执行。

 

Armv6-M 提供了一些可选的架构扩展,其中包括:

 

  • 非特权/特权扩展:使 Armv6-M 系统可使用与 Armv7-M 相同的特权级别。
  • PMSA 扩展:需要先实现非特权/特权扩展。

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