飞思卡尔处理器K60学习笔记之Cortex-M内核比较

只看该作者 · 2015-2-11 22:10

本文主要分析Cortex-M系列处理器的异同点，在上一篇的基础上增加对Cortex-M4的认识和了解。所谓无图无真相，直接上图说话。

图1：CORTEX-M0/M1------> CORTEX-M3 --------->CORTEX-M4三者内核功能的比较：

从图上可以看出三者功能上的异同点。它们的不同点也决定了三者的不同应用场合。M4相比较前两者主要的变化在于数字运算能力上的增强，增加了DSP运算指令、SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流）指令集、FPU（浮点运算单元，可选）。

图2：CORTEX-M0/M1------> CORTEX-M3 --------->CORTEX-M4 三个内核之间的所支持指令功能的对比。

从图中足以看出M4内核的强大，同时Cortex-M 系列处理器都是二进制向上兼容的，这使得软件重用以及从一个 Cortex-M 处理器无缝发展到另一个成为可能(图3)：

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下面就增强的三个功能进行说明：

1、DSP指令集

所谓集成DSP功能并不是说M4内核是一个M3+DSP的双核处理器（目前个人知道的这类处理器是TI的达芬奇系列，主要应用于语音、视频图像有关的数字多媒体领域）。而是只是增加了DSP功能的指令集(单周期的运算指令)，能在一个周期内完成指令操作。在官方的CMSIS标准工程库中已经集成，可以直接使用（有关内容在以后**中介绍）。

图表展示了处理器运行在相同的速度下Cortex - M3和Cortex - M4在数字信号处理能力方面的相对性能比较。

在下面的数字，Y轴代表执行给出的计算用的相对的周期数。因此，循环数越小，性能越好。以Cortex - M3作为参考，Cortex - M4的性能计算，性能比大概为其周期计数的倒数。举例说明，PID功能，Cortex - M4的周期数是与Cortex - M3的约0.7倍，因此相对性能是1/0.7，即1.4倍。

Cortex - M系列16位循环计数功能

Cortex - M系列32位循环计数功能

这很清楚的表明，Cortex - M4在数字信号处理方面对比Cortex - M3的16位或32位操作有着很大的优势。

Cortex-M4执行的所有的DSP指令集都可以在一个周期完成，Cortex - M3需要多个指令和多个周期才能完成的等效功能。即使是PID算法——通用DSP运算中最耗费资源的工作，Cortex - M4也能提供了一个1.4倍的性能得改善。另一个例子，MP3解码在Cortex-M3需要20-25Mhz，而在Cortex-M4只需要10-12MHz。

只看该作者 · 2015-2-11 22:11

2. 32位乘法累加（MAC）

32位乘法累加（MAC）包括新的指令集和针对Cortex - M4硬件执行单元的优化它是能够在单周期内完成一个 32 × 32 + 64 - > 64 的操作或两个16 × 16 的操作。如下表列出了这个单元的计算能力。

只看该作者 · 2015-2-11 22:11

3 .SIMD

(Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流)能够复制多个操作数，并把它们打包在大型寄存器的一组指令集，例：3DNow!、SSE。以同步方式，在同一时间内执行同一条指令。
SIMD在性能上的优势：
以加法指令为例，单指令单数据（SISD）的CPU对加法指令译码后，执行部件先访问内存，取得第一个操作数；之后再一次访问内存，取得第二个操作数；随后才能进行求和运算。而在SIMD型的CPU中，指令译码后几个执行部件同时访问内存，一次性获得所有操作数进行运算。这个特点使SIMD特别适合于多媒体应用等数据密集型运算。
如：AMD公司引以为豪的3D NOW! 技术实质就是SIMD，这使K6-2、雷鸟、毒龙处理器在音频解码、视频回放、3D游戏等应用中显示出优异的性能。

只看该作者 · 2015-2-11 22:13

4.FPU

FPU是Cortex - M4浮点运算的可选单元。因此它是一个专用于浮点任务的单元。这个单元通过硬件提升性能，能处理单精度浮点运算，并与IEEE 754标准兼容。这完成了ARMv7 - M架构单精度变量的浮点扩展。FPU扩展了寄存器的程序模型与包含32个单精度寄存器的寄存器文件。这些可以被看作是：

·16个64位双字寄存器，D0 - D15

·32个32位单字寄存器，S0 - S31 该FPU提供了三种模式运作，以适应各种应用

·全兼容模式（在全兼容模式，FPU处理所有的操作都遵循IEEE754的硬件标准）

·Flush-to-zero 冲洗到零模式（设置FZ位浮点状态和控制寄存器FPSCR [24]到flush-to-zero 模式。在此模式下，FPU 在运算中将所有不正常的输入操作数的算术CDP操作当做0.除了当从零操作数的结果是合适的情况。VABS，VNEG，VMOV 不会被当做算术CDP的运算，而且不受flush-to-zero 模式影响。结果是微小的，就像在IEEE 754 标准的描述的那样，在目标精度增加的幅度小于四舍五入后最低正常值，被零取代。IDC的标志位，FPSCR [7]，表示当输入Flush时变化。UFC标志位，FPSCR [3]，表示当Flush结束时变化）

·默认的NaN模式（DN位的设置，FPSCR [25]，会进入NaN的默认模式。在这种模式下，如对任何算术数据处理操作的结果，涉及一个输入NaN，或产生一个NaN结果，会返回默认的NaN。仅当VABS，VNEG，VMOV运算时，分数位增加保持。所有其他的CDP运算会忽略所有输入NaN的小数位的信息）。具体指令请自行查看手册。