作者 | 不可說

出品 | 汽車電子與軟件

#01 ARM處理器 

      當(dāng)前，在眾多負責(zé)車輛核心控制功能的控制器中，其內(nèi)部所采用的處理器有很大一部分均基于ARM架構(gòu)。這一架構(gòu)憑借其出色的能效比、廣泛的生態(tài)系統(tǒng)支持以及高度的靈活性，在汽車電子領(lǐng)域占據(jù)了舉足輕重的地位。鑒于此，本文旨在簡要介紹ARM架構(gòu)處理器的特點，供大家探討交流。                

      ARM是英國的一家公司，設(shè)計了低功耗成本的第一款RISC微處理器，即ARM處理器（Advanced RISC Machines）。在經(jīng)典處理器ARM11以后，ARM公司的產(chǎn)品開始改用Cortex命名，并分成A、R和M三類，旨在為各種不同的市場提供服務(wù)。Cortex系列屬于ARMv7架構(gòu)，這是ARM公司在當(dāng)時最新的指令集架構(gòu)。因此，可以說Cortex是ARM公司推出的一個系列處理器的名稱，其起源可以追溯到ARM公司的處理器設(shè)計和發(fā)展歷程。     

#02 ARM指令集
      先大概解釋一個概念，什么是芯片處理器的指令集？指令集主要是指CPU硬件和軟件之間的接口描述，它本質(zhì)上是一段二進制機器碼。CPU只能識別并執(zhí)行這些機器碼指令，而機器碼本身是一串無意義的字符串，對于程序員來說很難理解和使用。因此，人們發(fā)明了匯編語言等高級編程語言，這些語言與機器碼有一一對應(yīng)的關(guān)系，使得程序員能夠更方便地編寫和調(diào)試程序。   

      指令集可以分為多種類型，其中比較有名的是復(fù)雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）。

      - 復(fù)雜指令集（CISC）：這類指令集包含大量的指令，且每條指令的功能較為復(fù)雜。X86指令集就是一種典型的CISC指令集。

      - 精簡指令集（RISC）：與CISC相對，RISC指令集包含的指令數(shù)量較少，且每條指令的功能相對簡單。ARM指令集是RISC指令集的一個代表，它廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域。

      我們還經(jīng)常聽見“ARM架構(gòu)的芯片”之類的詞匯，其實這個架構(gòu)指的就是某一個處理器所使用的具體指令集。目前市場上主流的芯片架構(gòu)有 X86、ARM、RISC-V和MIPS四種。          

      在大部分場合，架構(gòu)等于指令集。例如，如果一個處理器是基于ARMv7架構(gòu)的，那么它就使用ARMv7指令集。指令集架構(gòu)是計算機體系架構(gòu)的一部分，它規(guī)定了處理器能夠識別并執(zhí)行的指令集合。ARM架構(gòu)還有v8、v9版本，v7是較早的版本，也是目前廣泛應(yīng)用的ARM架構(gòu)版本之一，從ARMv7架構(gòu)被分為A系列（Application Processors，用于高性能產(chǎn)品）、R系列（Real-time Processors，用于實時系統(tǒng)）和M系列（Microcontroller Processors，用于微控制器）；ARMv9是ARM架構(gòu)的最新版本，這三個版本指令集的對比大致如下：          

      ARMv7：

      - 它引入了新的指令集，如Thumb-2，這是一種混合了32位和16位指令的新指令集，既能提供高性能，又能節(jié)省存儲空間。

      - ARMv7還支持硬件浮點運算（VFPv3），提高了處理器處理浮點數(shù)的能力。

      ARMv8：    

      - 這是ARM首次引入的64位架構(gòu)版本。

      - 它同時支持64位和32位應(yīng)用，提供了更大的地址空間、更多寄存器和增強的安全特性。

      - ARMv8引入了新的指令集AArch64，用于執(zhí)行64位操作。

      - 該架構(gòu)還改進了浮點和SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）的支持，包括新的浮點運算指令和為多媒體和數(shù)據(jù)處理優(yōu)化的新SIMD指令。

      - ARMv8還引入了硬件虛擬化支持，提高了在虛擬環(huán)境中運行應(yīng)用的性能。

      ARMv9：

      - ARMv9對之前的版本進行了一系列優(yōu)化和改進，以提高處理器的性能和效率。

      - 它引入了新的SVE2（Scalable Vector Extension 2）技術(shù)，這是一種向量運算技術(shù)，可以顯著提高處理器處理機器學(xué)習(xí)和人工智能任務(wù)的能力。

      - ARMv9還增強了安全功能，引入了新的Realm管理架構(gòu)，以更有效地防止各種網(wǎng)絡(luò)攻擊和數(shù)據(jù)泄露。

      - 該架構(gòu)對虛擬化支持進行了改進，使得在云計算和其他高性能計算應(yīng)用中的虛擬化更加高效。

      直白的來講，指令集是CPU與軟件之間的橋梁，使得軟件能夠正確地控制CPU執(zhí)行各種操作。同時，指令集也決定了CPU的性能和功耗等關(guān)鍵指標(biāo)。不同的指令集具有不同的特點和優(yōu)勢，適用于不同的應(yīng)用場景。          

#03 車載芯片Cortex內(nèi)核應(yīng)用 
      車載控制器中常用的ARM Cortex系列芯片基本屬于ARMv7、v8架構(gòu)。
      ARM Cortex系列芯分為A、R、M系列，這也是我們經(jīng)常聽到別人講的芯片A核、M核的來源。    

      Cortex-A是面向移動計算、智能手機和服務(wù)器等市場的高端處理器，運行頻率高（>1GHz），支持Linux、Android、Windows等操作系統(tǒng)所需的內(nèi)存管理單元。在車載領(lǐng)域可以用于座艙芯片、智駕芯片、中央計算平臺芯片等。          

      Cortex-R用于實時應(yīng)用，如車身控制器、汽車地盤系統(tǒng)和動力系統(tǒng)控制等，不支持內(nèi)存管理單元但具備其他存儲器功能，運行頻率較高（200MHz到>1GHz），響應(yīng)延遲低，支持實時操作系統(tǒng)而非完整Linux和Windows。          

      Cortex-M設(shè)計小巧且能效高，時鐘頻率較低但部分可達200Mhz以上，新的Cortex-M系列易于使用，在單片機和深度嵌入式系統(tǒng)中廣受歡迎，也可以用于車身控制等，只是性能較Cortex-R差一點。  

芯弛X9系列的芯片架構(gòu)

      國內(nèi)芯片廠商芯弛的網(wǎng)關(guān)芯片G9系列、智駕芯片V9系列、座艙芯片X9系列的芯片主要處理器都是Cortex-A55+Cortex-R5的形式，構(gòu)成了多核異構(gòu)的芯片。

芯弛E3系列的芯片架構(gòu)

      不過芯弛推出的主要用于車控、域控的芯片E3系列，沒有采用Cortex-A，而是Cortex-R5及Cortex-R52+的形式，這是因為E3 MCU是針對汽車安全相關(guān)應(yīng)用設(shè)計的新一代高性能微控制器產(chǎn)品，根據(jù)此需求并未選擇Cortex-A，而是實時性好、安全性高的Cortex-R系列處理器。  

 

NXP S32G399A 架構(gòu)圖

      再比如說恩智浦（NXP）的域控、網(wǎng)關(guān)系列產(chǎn)品S32G系列，處理器內(nèi)核選擇為Cortex-M7+Cortex-A53的形式，S32G系列中最高端的產(chǎn)品S32G399A就有4個Cortex-M7+8個Cortex-A53，這種異構(gòu)的形式使得整個SoC具有較高算力的同時，也可以在Cortex-M上滿足ASIL D安全標(biāo)準(zhǔn)。

S32K3系列處理器構(gòu)成

      另外NXP的S32K3系列芯片在電源管理、逆變器控制、車身區(qū)域控制等多方面都有應(yīng)用，該系列具有多個Cortex-M7內(nèi)核，有的還有兩個可分鎖步Cortex-M7，雙核鎖步（Dual Core Lock Step，簡稱DCLS）是一種CPU冗余技術(shù)，雙核鎖步技術(shù)在一個芯片中包含兩個相同的處理器，這兩個處理器以主從（master和slave）關(guān)系運行。它們執(zhí)行相同的代碼并嚴(yán)格同步，關(guān)鍵的是雙核鎖步技術(shù)通過硬件層面的冗余和比較機制，能夠迅速監(jiān)測并隔離處理器運行的錯誤，防止故障蔓延。    

S32K39x (x=4 or 6)芯片框圖

      瑞薩的MCU/MPU/SoC等產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用了ARM架構(gòu)的內(nèi)核。

瑞薩的R-Car H3e架構(gòu)

      瑞薩的R-Car H3e(-2G) 是一款用于高端計算的汽車SOC，核心處理器包含了四個Cortex-A57、四個Cortex-A53、雙核鎖步的Cortex-R7，計算性能非常強大，可準(zhǔn)確實時地處理來自汽車傳感器的大量信息。它的應(yīng)用非常廣泛，例如車載娛樂信息系統(tǒng)和集成駕駛艙。它符合 ISO 26262(ASIL-B) 汽車功能安全標(biāo)準(zhǔn)和信息安全要求。2GHz 運行速度的 (H3e-2G) 在提高處理能力的同時保持硬件和軟件兼容性。      

      總的來說，ARM架構(gòu)以其低功耗、高性能和可定制化的特點，在汽車電子領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，ARM架構(gòu)仍然有著巨大的發(fā)展空間。通過選擇合適的核心、優(yōu)化代碼、使用硬件加速和優(yōu)化存儲器訪問等策略，可以進一步提高系統(tǒng)的性能和功耗效率，滿足各種應(yīng)用場景的需求。