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简单粗暴解读Cortex-M23/33(上)

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发表于 2020-8-15 03:03:47 | 显示全部楼层 |阅读模式
【说在前面的话】
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+


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。



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       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)”。



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。



结论:Cortex-M23——这个M0+不简单。

2.    增强版的Cortex-M3/M4



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)。



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       注:图片来自ARM官网


3.     ARMv8-M是个知错就改的好少年


        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。

—————以上正文结束—————

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发表于 2020-10-16 09:25:38 | 显示全部楼层
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?
   
         




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 楼主| 发表于 2020-10-21 22:10:48 | 显示全部楼层
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。
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