ARM架构及在汽车电子芯片中的应用

原创汽车电子与软件 2024-12-13 08:10

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作者 | 不可说

出品 | 汽车电子与软件

#01

ARM处理器

当前，在众多负责车辆核心控制功能的控制器中，其内部所采用的处理器有很大一部分均基于ARM架构。这一架构凭借其出色的能效比、广泛的生态系统支持以及高度的灵活性，在汽车电子领域占据了举足轻重的地位。鉴于此，本文旨在简要介绍ARM架构处理器的特点，供大家探讨交流。

ARM是英国的一家公司，设计了低功耗成本的第一款RISC微处理器，即ARM处理器（Advanced RISC Machines）。在经典处理器ARM11以后，ARM公司的产品开始改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，旨在为各种不同的市场提供服务。Cortex系列属于ARMv7架构，这是ARM公司在当时最新的指令集架构。因此，可以说Cortex是ARM公司推出的一个系列处理器的名称，其起源可以追溯到ARM公司的处理器设计和发展历程。

#02

ARM指令集

先大概解释一个概念，什么是芯片处理器的指令集？指令集主要是指CPU硬件和软件之间的接口描述，它本质上是一段二进制机器码。CPU只能识别并执行这些机器码指令，而机器码本身是一串无意义的字符串，对于程序员来说很难理解和使用。因此，人们发明了汇编语言等高级编程语言，这些语言与机器码有一一对应的关系，使得程序员能够更方便地编写和调试程序。

指令集可以分为多种类型，其中比较有名的是复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。

复杂指令集（CISC）：这类指令集包含大量的指令，且每条指令的功能较为复杂。X86指令集就是一种典型的CISC指令集。

精简指令集（RISC）：与CISC相对，RISC指令集包含的指令数量较少，且每条指令的功能相对简单。ARM指令集是RISC指令集的一个代表，它广泛应用于移动设备、嵌入式系统等领域。

我们还经常听见“ARM架构的芯片”之类的词汇，其实这个架构指的就是某一个处理器所使用的具体指令集。目前市场上主流的芯片架构有 X86、ARM、RISC-V和MIPS四种。

在大部分场合，架构等于指令集。例如，如果一个处理器是基于ARMv7架构的，那么它就使用ARMv7指令集。指令集架构是计算机体系架构的一部分，它规定了处理器能够识别并执行的指令集合。ARM架构还有v8、v9版本，v7是较早的版本，也是目前广泛应用的ARM架构版本之一，从ARMv7架构被分为A系列（Application Processors，用于高性能产品）、R系列（Real-time Processors，用于实时系统）和M系列（Microcontroller Processors，用于微控制器）；ARMv9是ARM架构的最新版本，这三个版本指令集的对比大致如下：

ARMv7：

它引入了新的指令集，如Thumb-2，这是一种混合了32位和16位指令的新指令集，既能提供高性能，又能节省存储空间。

ARMv7还支持硬件浮点运算（VFPv3），提高了处理器处理浮点数的能力。

ARMv8：

这是ARM首次引入的64位架构版本。

它同时支持64位和32位应用，提供了更大的地址空间、更多寄存器和增强的安全特性。

ARMv8引入了新的指令集AArch64，用于执行64位操作。

该架构还改进了浮点和SIMD（单指令多数据）的支持，包括新的浮点运算指令和为多媒体和数据处理优化的新SIMD指令。

ARMv8还引入了硬件虚拟化支持，提高了在虚拟环境中运行应用的性能。

ARMv9：

ARMv9对之前的版本进行了一系列优化和改进，以提高处理器的性能和效率。

它引入了新的SVE2（Scalable Vector Extension 2）技术，这是一种向量运算技术，可以显著提高处理器处理机器学习和人工智能任务的能力。

ARMv9还增强了安全功能，引入了新的Realm管理架构，以更有效地防止各种网络攻击和数据泄露。

该架构对虚拟化支持进行了改进，使得在云计算和其他高性能计算应用中的虚拟化更加高效。

直白的来讲，指令集是CPU与软件之间的桥梁，使得软件能够正确地控制CPU执行各种操作。同时，指令集也决定了CPU的性能和功耗等关键指标。不同的指令集具有不同的特点和优势，适用于不同的应用场景。

#03

车载芯片Cortex内核应用

车载控制器中常用的ARM Cortex系列芯片基本属于ARMv7、v8架构。

ARM Cortex系列芯分为A、R、M系列，这也是我们经常听到别人讲的芯片A核、M核的来源。

Cortex-A是面向移动计算、智能手机和服务器等市场的高端处理器，运行频率高（>1GHz），支持Linux、Android、Windows等操作系统所需的内存管理单元。在车载领域可以用于座舱芯片、智驾芯片、中央计算平台芯片等。

Cortex-R用于实时应用，如车身控制器、汽车地盘系统和动力系统控制等，不支持内存管理单元但具备其他存储器功能，运行频率较高（200MHz到>1GHz），响应延迟低，支持实时操作系统而非完整Linux和Windows。

Cortex-M设计小巧且能效高，时钟频率较低但部分可达200Mhz以上，新的Cortex-M系列易于使用，在单片机和深度嵌入式系统中广受欢迎，也可以用于车身控制等，只是性能较Cortex-R差一点。

芯弛X9系列的芯片架构

国内芯片厂商芯弛的网关芯片G9系列、智驾芯片V9系列、座舱芯片X9系列的芯片主要处理器都是Cortex-A55+Cortex-R5的形式，构成了多核异构的芯片。

芯弛E3系列的芯片架构

不过芯弛推出的主要用于车控、域控的芯片E3系列，没有采用Cortex-A，而是Cortex-R5及Cortex-R52+的形式，这是因为E3 MCU是针对汽车安全相关应用设计的新一代高性能微控制器产品，根据此需求并未选择Cortex-A，而是实时性好、安全性高的Cortex-R系列处理器。

NXP S32G399A 架构图

再比如说恩智浦（NXP）的域控、网关系列产品S32G系列，处理器内核选择为Cortex-M7+Cortex-A53的形式，S32G系列中最高端的产品S32G399A就有4个Cortex-M7+8个Cortex-A53，这种异构的形式使得整个SoC具有较高算力的同时，也可以在Cortex-M上满足ASIL D安全标准。

S32K3系列处理器构成

另外NXP的S32K3系列芯片在电源管理、逆变器控制、车身区域控制等多方面都有应用，该系列具有多个Cortex-M7内核，有的还有两个可分锁步Cortex-M7，双核锁步（Dual Core Lock Step，简称DCLS）是一种CPU冗余技术，双核锁步技术在一个芯片中包含两个相同的处理器，这两个处理器以主从（master和slave）关系运行。它们执行相同的代码并严格同步，关键的是双核锁步技术通过硬件层面的冗余和比较机制，能够迅速监测并隔离处理器运行的错误，防止故障蔓延。

S32K39x (x=4 or 6)芯片框图

瑞萨的MCU/MPU/SoC等产品也广泛应用了ARM架构的内核。

瑞萨的R-Car H3e架构

瑞萨的R-Car H3e(-2G) 是一款用于高端计算的汽车SOC，核心处理器包含了四个Cortex-A57、四个Cortex-A53、双核锁步的Cortex-R7，计算性能非常强大，可准确实时地处理来自汽车传感器的大量信息。它的应用非常广泛，例如车载娱乐信息系统和集成驾驶舱。它符合 ISO 26262(ASIL-B) 汽车功能安全标准和信息安全要求。2GHz 运行速度的 (H3e-2G) 在提高处理能力的同时保持硬件和软件兼容性。

总的来说，ARM架构以其低功耗、高性能和可定制化的特点，在汽车电子领域发挥着重要作用。随着技术的不断发展和创新，ARM架构仍然有着巨大的发展空间。通过选择合适的核心、优化代码、使用硬件加速和优化存储器访问等策略，可以进一步提高系统的性能和功耗效率，满足各种应用场景的需求。

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