Cortex-M0/M0+/M3/M4處理器是什么鬼？

一、說在前面的話

自從Arm在2016年的十月發(fā)布兩款A(yù)rmv8-M架構(gòu)的新處理器Cortex-M23和Cortex-M33以來，已經(jīng)過去了3年多，而市面上基于這兩款處理器的微控制器產(chǎn)品也剛剛才嶄露頭角。 很多才剛剛通過開發(fā)板熟悉Cortex-M0/M0+/M3/M4處理器的童鞋可能心中又要飄過彈幕：

誰TM告訴我，這個M23和M33是什么鬼？

從個位數(shù)一下蹦到兩位數(shù)了喂！

前面十幾位兄弟怎么了？喂！

別說跟M3有啥關(guān)系，這以后下第n代是不是就該叫2333333了？

該來的總會來，那么如何簡單粗暴的理解這兩個全新的處理器呢？以下是傻孩子獨家特別提供的的無責(zé)任囫圇吞棗公式：

Cortex-M23 =

Cortex-M0/M0 + 硬件除法器 + 性能提升 +

專門的棧溢出硬件檢測+

指令集不可忽略的小動作 +

安全擴展（TrustZone for Armv8-M） +

MPU開發(fā)者模型的友好化改進

Cortex-M33 =

Cortex-M3/M4 + 性能提升 +

專門的棧溢出硬件檢測+

指令集不可忽略的小動作 +

安全擴展（TrustZone for Armv8-M）+

MPU開發(fā)者模型的友好化改進

再簡單點說就是無敵增強版的“M0／M0+，M3／M4”加“安全擴展”。有人說，Armv8-M的主要功能就是為Cortex-M家族引入TrustZone，這么看來也是不無道理的。

1.1增強版的Cortex-M0/M0+

根據(jù)官方的說法，Cortex-M23實現(xiàn)的是Armv8-M架構(gòu)的Baseline子架構(gòu)，我們不妨理解為手機里面的“入門級”產(chǎn)品。

Cortex-M23從定位上也非常直接，就是給Cortex-M0/M0+增加個安全擴展。因此，實際上所有為Cortex-M0/M0+編譯生成的二進制代碼基本上都可以“無修”的在Cortex-M23/M33上執(zhí)行——除非你原本的代碼使用了MPU。此外Cortex-M23居然配備了硬件除法器，這無疑在原本Cortex-M0和Cortex-M0+主打的8位／16位市場上把“基本配置”又提升了一個檔次。 指令集上，Cortex-M23師承Armv6-M，除了支持“安全擴展”所必須的一系列指令之外，這款入門級產(chǎn)品還做了一個“不可忽略的小動作”——也就是說，除了Cortex-M33以外，Cortex-M23也可以通過很小的代價支持“暗代碼（eXecute Only Memory, XOM）”。

什么是暗代碼呢？和“暗物質(zhì)”只能理論上知道它存在卻很難探測到類似——“暗代碼”是一類只能由處理器執(zhí)行（取指令）卻根本無法用任何形式讀取機器碼（OPCODE）內(nèi)容的程序——也就是人們常說的XO（eXecute-Only）代碼?！鞍荡a”并不是依靠內(nèi)核來實現(xiàn)的，但卻需要編譯器和內(nèi)核共同努力才能支持。這是因為XOM本質(zhì)上是芯片廠家在地址空間上劃分出的一段特殊區(qū)域——只能由處理器取指令、用于代碼的運行（Instruction Fetch），而不能進行普通的數(shù)據(jù)訪問（Data Access）。這就要求“暗代碼”里不能直接保存任何常數(shù)——它們必須編碼到指令里面——成為指令的一部分，以指令編碼中的立即數(shù)形式存在。

Armv6-M的指令集大部分都是16位的Thumb指令，16位的指令可以用于編碼的立即數(shù)的二進制位長度可想而知——少得可憐。Armv7-M由于引入了32位的Thumb2指令集，從而極大增強了指令攜帶立即數(shù)的能力。為了將這一能力引入Armv8-M的Baseline指令集，MOVT和MOVW這兩個可以分別攜帶32位立即數(shù)“高、低16位”的指令就被特別加入到Cortex-M23所使用的指令集中。考慮到Armv8-M所強的調(diào)信息安全，“暗指令”對固件的保護有多大的分量，可想而知。

結(jié)論：Cortex-M23——這個M0+不簡單。

1.2增強版的Cortex-M3/M4

相對Cortex-M3/M4來說，Cortex-M33在性能上有了提升并不是什么意料之外的事情，不提也罷。值得說明的是，從城里來的Cortex-M7在性能上仍然可以"甩其他Cortex-M土包子幾條街"——6級流水線和3級流水線的差別可是"三缸夏利和六缸寶馬之間的差距"所不能比擬的?。ㄕJ真臉）。

1.3ARMv8-M是個知錯就改的好少年

我不知道有多少人真正用過Armv7-M，也就是Cortex-M3/M4的MPU——簡單說就是個以Region為單位來修改Memory屬性的系統(tǒng)級外設(shè)。原本設(shè)計的時候想法很簡單，一個Region，給個大小（Size）給個基地址（Base Address），再給個屬性（Memory Attribute），一使能，就工作了，很簡單，很Happy。然而，出于優(yōu)（pi）化（gu）內(nèi)（jue）核（ding）面（nao）積（dai）的原因，Region地址范圍的設(shè)定被人為加入了一個限定：

基地址（Base Address）必須對齊（Aligned with）到它的尺寸（Size），而且尺寸必須是2的整數(shù)次方（還必須大于4次方）。

舉個例子：一個Region大小為512K，那么基地址必須是512K的整數(shù)倍……如果你還不能理解這個問題蛋疼的點在哪里，設(shè)想一個任意大小的Region該怎么設(shè)定，比如，一個234K大小的Memory該咋辦？——還能咋辦，用多個Region組合出來唄。正是這個蛋疼的限制，導(dǎo)致幾乎沒有什么RTOS可以很好的使用MPU，也罕有身邊的項目把MPU這么骨感的現(xiàn)實應(yīng)用的如理想般美好。

那么Armv8-M做了什么呢？他更正了這一蛋疼的設(shè)定，即：Region的設(shè)置由“基地址+尺寸”進化為“起始地址+終止地址”，除了這兩個地址都必須是32字節(jié)的整倍數(shù)的要求外，再也沒有變態(tài)的關(guān)于“基地址必須是Region大小的整倍數(shù)”這樣的限定。是不是突然覺得眼前一亮，是不是突然發(fā)現(xiàn)了一個寶藏？MPU頓時好玩起來。

結(jié)論：ARMv8-M的MPU是個好同志，士別三日當(dāng)刮目相看

審核編輯：劉清