简单粗暴解读Cortex-M23/33（上）

GorgonMeducer

【说在前面的话】

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自从Arm在2016年的十月发布两款Armv8-M架构的新处理器Cortex-M23和Cortex-M33以来，已经过去了3年多，而市面上基于这两款处理器的微控制器产品也刚刚才崭露头角。
很多才刚刚通过开发板熟悉Cortex-M0/M0+/M3/M4处理器的童鞋可能心中又要飘过弹幕：

谁TM告诉我，这个M23和M33是什么鬼？
从个位数一下蹦到两位数了喂！
前面十几位兄弟怎么了？喂！
别说跟M3有啥关系，这以后下第n代是不是就该叫2333333了？

该来的总会来，那么如何简单粗暴的理解这两个全新的处理器呢？以下是傻孩子独家特别提供的的无责任囫囵吞枣公式：

Cortex-M23 =
Cortex-M0/M0 + 硬件除法器 + 性能提升 +
专门的栈溢出硬件检测+

指令集不可忽略的小动作 +
安全扩展（TrustZone for Armv8-M） +
MPU开发者模型的友好化改进

Cortex-M33 =
Cortex-M3/M4 + 性能提升 +
专门的栈溢出硬件检测+
指令集不可忽略的小动作 +
安全扩展（TrustZone for Armv8-M）+
MPU开发者模型的友好化改进

再简单点说就是无敌增强版的“M0／M0+，M3／M4”加“安全扩展”。有人说，Armv8-M的主要功能就是为Cortex-M家族引入TrustZone，这么看来也是不无道理的。

• 增强版的Cortex-M0/M0+
  

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根据官方的说法，Cortex-M23实现的是Armv8-M架构的Baseline子架构，我们不妨理解为手机里面的“入门级”产品。

       注：图片来自ARM官网

Cortex-M23从定位上也非常直接，就是给Cortex-M0/M0+增加个安全扩展。因此，实际上所有为Cortex-M0/M0+编译生成的二进制代码基本上都可以“无修”的在Cortex-M23/M33上执行——除非你原本的代码使用了MPU。此外Cortex-M23居然配备了硬件除法器，这无疑在原本Cortex-M0和Cortex-M0+主打的8位／16位市场上把“基本配置”又提升了一个档次。

指令集上，Cortex-M23师承Armv6-M，除了支持“安全扩展”所必须的一系列指令之外，这款入门级产品还做了一个“不可忽略的小动作”——也就是说，除了Cortex-M33以外，Cortex-M23也可以通过很小的代价支持“暗代码（eXecute Only Memory, XOM）”。

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什么是暗代码呢？和“暗物质”只能理论上知道它存在却很难探测到类似——“暗代码”是一类只能由处理器执行（取指令）却根本无法用任何形式读取机器码（OPCODE）内容的程序——也就是人们常说的XO（eXecute-Only）代码。“暗代码”并不是依靠内核来实现的，但却需要编译器和内核共同努力才能支持。这是因为XOM本质上是芯片厂家在地址空间上划分出的一段特殊区域——只能由处理器取指令、用于代码的运行（Instruction Fetch），而不能进行普通的数据访问（Data Access）。这就要求“暗代码”里不能直接保存任何常数——它们必须编码到指令里面——成为指令的一部分，以指令编码中的立即数形式存在。

Armv6-M的指令集大部分都是16位的Thumb指令，16位的指令可以用于编码的立即数的二进制位长度可想而知——少得可怜。Armv7-M由于引入了32位的Thumb2指令集，从而极大增强了指令携带立即数的能力。为了将这一能力引入Armv8-M的Baseline指令集，MOVT和MOVW这两个可以分别携带32位立即数“高、低16位”的指令就被特别加入到Cortex-M23所使用的指令集中。考虑到Armv8-M所强的调信息安全，“暗指令”对固件的保护有多大的分量，可想而知。

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结论：Cortex-M23——这个M0+不简单。

2.    增强版的Cortex-M3/M4

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相对Cortex-M3/M4来说，Cortex-M33在性能上有了提升并不是什么意料之外的事情，不提也罢。值得说明的是，从城里来的Cortex-M7在性能上仍然可以"甩其他Cortex-M土包子几条街"——6级流水线和3级流水线的差别可是"三缸夏利和六缸宝马之间的差距"所不能比拟的！（认真脸）。

       注：图片来自ARM官网

3.     ARMv8-M是个知错就改的好少年

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        我不知道有多少人真正用过Armv7-M，也就是Cortex-M3/M4的MPU——简单说就是个以Region为单位来修改Memory属性的系统级外设。原本设计的时候想法很简单，一个Region，给个大小（Size）给个基地址（Base Address），再给个属性（Memory Attribute），一使能，就工作了，很简单，很Happy。然而，出于优（pi）化（gu）内（jue）核（ding）面（nao）积（dai）的原因，Region地址范围的设定被人为加入了一个限定：

基地址（Base Address）必须对齐（Aligned with）到它的尺寸（Size），而且尺寸必须是2的整数次方（还必须大于4次方）。

举个例子：一个Region大小为512K，那么基地址必须是512K的整数倍……如果你还不能理解这个问题蛋疼的点在哪里，设想一个任意大小的Region该怎么设定，比如，一个234K大小的Memory该咋办？——还能咋办，用多个Region组合出来呗。正是这个蛋疼的限制，导致几乎没有什么RTOS可以很好的使用MPU，也罕有身边的项目把MPU这么骨感的现实应用的如理想般美好。

那么Armv8-M做了什么呢？他更正了这一蛋疼的设定，即：Region的设置由“基地址+尺寸”进化为“起始地址+终止地址”，除了这两个地址都必须是32字节的整倍数的要求外，再也没有变态的关于“基地址必须是Region大小的整倍数”这样的限定。是不是突然觉得眼前一亮，是不是突然发现了一个宝藏？MPU顿时好玩起来。

结论：ARMv8-M的MPU是个好同志，士别三日当刮目相看

4.      安全扩展（Trust Zone for ARMv8-M）又如何简单的理解呢？

请听下回分解。

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ba_wang_mao

傻孩子大神，多年之前在amok网站就听说了您的大名，有几个FreeRTOS的问题困扰我很久啦，因此冒昧的在这个帖子中向您提问：
     问题1、使用消息队列时，如果生产者不停的生产消息，但是不确定消费者何时消费的问题。
            场景：
                      现场有一个设备，不停的采集传感器的数据，采集完毕，发送给消息队列（生产者不停的生产）。
                      运行人员每隔1个小时巡查一次设备（消费者每隔1小时消费1次），用手机APP连接现场设备，设备收到手机APP的请求报文（消费者开始消费），设备将消息队列中采集的数据取出（消费），然后上传给手机APP。 运行人员巡查完毕，关闭手机APP（消费者结束消费）。
            现象：
                      运行人员巡查用手机APP查看数据时，发现数据是很久之前的数据。需要过很长一段时间才会看到最新的数据。
                      可能的原因是由于生产者不停的生产，而这段时间运行人员没有巡查，消息队列早就装满了，所以当运行人员打开手机APP时，取出的是消息队列中存储的很久之前的数据，只有当把消息队列中很久之前的数据消费完，消息队列中才会装载最新采集的数据。
            请问：
                  （1）、使用消息队列时，如果生产者不停的生产消息，但是不确定消费者何时消费的时，是否不适合用消息队列给手机APP传输采集数据。
                （2）、虽然用互斥信号量可以解决上述现象，但是需要定义大量的变量，好象不太好。
                 （3）、虽然用（全局变量+关中断）可以解决上述现象，但是会降低系统的实时性能，而且需要定义大量的变量，好象不太好。
                  （4）、请问傻孩子大神，最佳解决方法是什么呢？
   
         

GorgonMeducer

ba_wang_mao 发表于 2020-10-16 09:25
傻孩子大神，多年之前在amok网站就听说了您的大名，有几个FreeRTOS的问题困扰我很久啦，因此冒昧的在这个帖 ...

你这个问题建议其实跟你后面提出的4点，我觉得都没啥关联。

请参考行车记录仪的视频纪录模式（滚动覆盖）

而且，你需要的应该是一个允许APP随机访问 所有记录的 功能。因为你现在用的就是简单的FIFO，必须先入先出。你要换一种思路，你是用滚动覆盖的形式按照顺序记录一定数量的“记录”。然后 APP 不是被动接收消息，而是有能力“随机”的访问你已经记录下来的所有记录——并根据自己的需要下载记录。