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。
END
作者：不可说
来源：汽车电子与软件
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