Cortex-M23/M33与STAR-MC1星辰处理器

世界大事风云莫测，科技动态层出不穷，当众多国内ARM授权MCU厂家还沉迷于Cortex-M0, M3, M4以及M7的红海厮杀与纷争之时，一些走差异化路线的国内MCU芯片公司已悄然开启了另类个性化技术市场路线图。

作为ARM Cortex-M家族的继承者 Cortex-M23与M33有哪五大特色？

ARM处理器在嵌入式设备领域的应用非常广泛。基于ARM Cortex处理器的片上系统（SoC）解决方案适用于多种嵌入式设计细分市场，如物联网、电机控制、医疗、汽车、家电自动化等。Cortex系列处理器主要基于3大产品类型量身开发，A系列：运行复杂系统的精细高端应用；R系列：高性能硬实时系统；M系列：低功耗、确定性、成本敏感的微控制器，专门优化以满足其需求。其中，Cortex-M家族32位微控制器（MCU）在业内最广为人知。该家族包括超低功耗的Cortex-M0/0+、主流的Cortex-M3、带DSP浮点运算的Cortex-M4和最高性能的Cortex-M7系列。

2019年11月，ARM公司又推出了Cortex-M家族的继承者，分别是Cortex-M23和Cortex-M33 MCU。其中，Cortex-M23是Cortex-M0+的继任者，主打超低功耗，而Cortex-M33是Cortex-M3和Cortex-M4的继任者，性能更强，具有DSP浮点运算功能。ARM Cortex-M23与Cortex-M33是首款基于ARM公司最新的ARMv8-M架构的嵌入式处理器，而Cortex-M0/0+、Cortex-M3、Cortex-M4和Cortex-M7则是基于上一代的ARMv7-M架构。

那么，Cortex-M23与Cortex-M33到底拥有着怎样的特色呢？

Cortex-M33是一款能在性能、功耗和安全之间实现最佳平衡的处理器 

Cortex-M33是首款采用TrustZone安全技术和数字信号处理技术的ARMv8-M全功能实现处理器。该处理器可以支持大量灵活的配置选项，并在广泛应用中进行部署，此外还提供专用的协同处理器界面以支持经常需要加速和大量运算的运作。Cortex-M33是一款在性能、功耗、安全与生产力之间达到最佳平衡的处理器。 为了显著降低系统功耗，Cortex-M33处理器采用有序三阶管线技术。大部分指令在头两个阶段就能完成，而复杂的指令则需要3个阶段。此外，某些16位指令将采用双发射机制，以增强性能。处理器内核有两个AMBA 5 AHB5界面：C-AHB和S-AHB，完全对称，指令和数据提取性能不分伯仲。 

接下来，让我们了解一下Cortex-M33的五大特色： 

1 、为ARMv8-M 量身优化的TrustZone技术为整个系统的安全保驾护航
采用TrustZone技术的Cortex-M33处理器拥有两个安全状态及多种相关特色：安全状态和非安全状态的全面利用，必将开启众多新机遇和新应用的大门。该系统使用的高价值专利固件可以在安全状态下运行。在安全状态下设置的监管员代码则可以在系统受到攻击或不可靠运行后将其恢复初始；而非安全侧则像以前一样向正在用Cortex-M开发软件的数百万开发者开放。

2 、协同处理器界面，实现高扩展性
对某些应用而言，专用运算起到的作用可谓非同小可；但为了实现专用运算，这个全球最强大设计生态系统的所有优点必须完美保留，即允许设计师在开发工具、编译器、调试器、操作系统和中间件之间最大限度的进行选择。ARM生态系统可以帮助开发商节约时间和成本，进一步提高生产力。

Cortex-M33处理器包含一个可以选配、类似总线的专用界面，主要用于集成紧耦合加速器硬件。对需要频繁运算的操作而言，该界面可以帮助设计师用自定义的处理硬件提升通用运算能力。须着重指出的是，这样做并不会使整个生态系统分裂。该界面包含最多可用于8个协同处理器的控制和数据通路，发出的信号可显示处理器的特权状态和安全状态、指令类型、相关寄存器和操作字段。协同处理器通常会合理的在几个少数循环内完成，或在后台运行并在完成时自动停止。操作的细节和数据可以通过该界面与单指令同时传输，如有需要，还可插入等待状态。

3 、用于任务隔离的存储保护单元（MPU）
设计师可以自行对选配的MPU编程，为每个安全状态和非安全状态提供多达16个区域。在多任务环境中，操作系统可以在任务情境切换时重新编程MPU，为每个任务定义存储访问许可。比如说，某个应用的某个任务只被允许访问某些应用数据和特定的周边设备，这种情况下，MPU将保护所有其他的存储和周边设备，将讹误或未授权访问阻挡在外，有效提升系统可靠性。 

Cortex-M33存储保护架构的开发基于受保护的存储系统架构PMSAv8。最新版本搭载了针对各区域的基线与限值比较器，而非此前的二次方尺寸对齐模型。每个区域都有一个基线的初始地址、终止地址，以及访问许可和存储性质的设定值，因此在这一架构中，设计师设计MPU区域时再也无需顾虑将多个区域整合在一起的麻烦了。功能强化后，软件开发变得更加简单，客户的使用意愿提升，编程步骤也得以减少，并将进而降低情境转换次数。

4 、DSP拓展
选配的整数DSP拓展可以为系统增加85个新指令。大多数情况下，DSP指令可将性能平均提升3倍，让所有以数字信号控制为中心的应用性能突飞猛进。为帮助设计师加速软件开发，ARM将在CMSIS项目中提供免费的DSP库，包含整套过滤、转换和数学功能（如矩阵），并支持多种数据类型。CMSIS项目是开源的，其开发详情发布在github上。

5 、单精度浮点单元
基于FPv5的选配单精度浮点拓展单元包括一份额外的16-入口 64位寄存器文件。该拓展新增45个与IEEE754-2008兼容的单精度浮点指令。使用浮点指令通常可将软件库平均性能提升10倍。FPU位于单独的电源域，负责在整个单元不使用的时候切断电源。    

Cortex-M23是一款尺寸最小、能效最高的处理器 

ARM Cortex-M23采用TrustZone技术，是尺寸最小、能效最高的处理器。小型嵌入式应用对芯片的安全性能有严格要求，基于ARMv8-M基线架构的Cortex-M23处理器则是最佳解决方案。同样地，让我们也来了解一下Cortex-M23的五大特色：

1、为ARMv8-M量身打造的TrustZone技术：安全实现的基础
TrustZone技术为ARMv8-M度身优化，可以在每一台搭载Cortex-M23处理器的设备上以硬件形式实现可信软件和非可信软件强制隔离。因此，采用TrustZone，设计师只需一个处理器就可以设计嵌入式应用，此前则必须使用多个处理器才能在可信区域和非可信区域之间实现物理隔离。仅需Cortex-M23处理器，既可出色实现多项安全需求，如设备识别管理、高价值固件保护、软件认证、安全根等等。

采用TrustZone技术的Cortex-M23处理器具备以下两种安全状态：

· 安全状态 – 可以访问安全和非安全资源（存储、周边设备等）

· 非安全状态 – 只可访问非安全资源

两种安全状态下的代码执行转换和代码访问均由硬件监管，最大限度地降低转换管理成本并保证确定性——这也是所有Cortex-M处理器的标志性功能。
 

2、紧凑二阶布线处理器
Cortex-M23是一款简单的二阶布线冯诺依曼处理器（Von Neumann processor），但却足以支持全套ARMv8-M基线指令集。熟悉Cortex-M0+的用户一定可以迅速指出Cortex-M23使能效最大化的众多相似特色：WFI（等待中断）／WFE（等待事件）和睡眠／深度睡眠模式、退出时睡眠、SysTick定时器和选配的单循环IO等。

指令集共包含80条左右的拇指指令，其中大多数都是16位指令（为了尽可能提高代码的紧凑度），但仍有一些为了提升效率而设置的32位指令。Cortex-M23支持所有的ARMv6-M指令，以帮助设计师轻而易举地将代码从Cortex-M0和Cortex-M0+处理器转移至Cortex-M23。此外ARMv8-M基线指令集中还加入了多条新指令以提升条件运算、互斥访问、硬件划分运算和即时移动的效率。

3、强化的调试纠错与追溯能力
仅凭一台高效安全的32位处理器，尚无法成功实现字段部署，软件开发的成本通常超过生产和硬件IP的总和。Cortex-M23引入更多可配置的硬件断点和数据观测点，对比其他ARMv6-M处理器，可以助设计师更轻松地实现软件开发与调试。除了Cortex-M0+ 处理器中也配置的微型跟踪缓冲器（MTB），Cortex-M23还包括选配的嵌入式跟踪宏单元（ETM）。有了这些选配功能，设计师可以自行判断，究竟选择更加丰富全面的指令追溯能力；还是性价比更高、更加精简的指令追溯能力。

4、 用于任务隔离的存储保护单元 
Cortex-M23还包括选配存储保护单元（MPU），基于全新PMSAv8架构打造，设计师使用起来非常方便。它可以在安全和非安全状态的任何一个状态下最多“保护”16个区域。每个区域都有一个基础地址、结束地址、访问许可和存储属性设置。在多任务环境下，操作系统可以在任务情境切换的过程中重新编程MPU，定义每个任务的存储许可，比如允许应用任务访问全部或部分应用数据和特定的周边设备。通过保护许可之外的数据免遭污染，并阻止未授权来源访问许可之外的周边设备，该MPU可以显著提升系统可靠性。 

更易设置的存储区域
Cortex-M23的存储保护架构采用基线和限值比较器，用以定义存储区域，而此前使用的是二次方尺寸对齐比较器。这项改进简化了软件研发的复杂程度，而且在某些情况下，当区域尺寸不是完美的二次方尺寸时，还能减少存储浪费。

5、 全新ARMv8-M基线指令
对比ARMv6-M，Cortex-M23加入了许多全新指令，但丝毫没有折损Cortex-M系列处理器的超高能效。大多数新指令（除用于安全拓展外）都继承自ARMv7-M的架构指令集，进一步拓展Cortex-M23的功能，并与Cortex-M0+ 处理器形成鲜明区分。

5.1安全拓展
ARMv8-M采用的TrustZone安全技术为基线指令集补充了全新指令，包括安全网关（SG）、非安全支路（BXNS、BLXNS）以及测试目标（TT）指令。欲知详情，请参阅Yiu撰写的《ARMv8-M 架构介绍》。

5.2 仅执行代码生成
对仅执行（Execute-Only）代码存储区的支持也获得改善，新增加的即时移动指令（从ARMv7-M继承的MOV/MOVT）可以在仅执行代码中生成即时数据，让设计师仅凭2条指令便能生成32位值，且无需运行实际负载。

5.3代码优化
条件比较和支路指令（从ARMv7-M继承的CBNZ/CBZ）可以提高多项条件控制代码序列的性能。长偏移即时支路（从ARMv7-M继承的）可以将支路指向遥远的目标地址；硬件整数划分指令（从ARMv7-M继承的SDIV/UDIV）则可以减少除法运算的处理循环。

5.4排斥存取   
Cortex-M23还从ARMv7-M继承了负载和储存的专用指令，提升Cortex-M23在多核系统中的一贯性，确保多个处理器以同样的机制处理信号。此外，为了对C11/C++11提供稳定支持，Cortex-M23还新增ARMv8-A（Thumb 32版本）的负载获取与储存释放指令，并包括这些指令的排斥存取变种。

安谋中国星辰处理器商用：灵动微、全志科技、华大北斗布局合作

5G和AIoT时代的背景下，Arm架构获得了越来越多的关注，近期苹果公司也宣布未来笔记本电脑产品将搭载自造的Arm架构处理器，这主要归功于Arm架构下的低功耗、高性能、小尺寸等优点。

安谋中国（Arm中国）作为一家深圳本土公司，自2018年4月成立后便一直独立运作。安谋中国与Arm不同的是，自成立以后便主要集中在3个生产线：周易AIPU、星辰处理器、山海平台安全解决方案。其中，周易AIPU最早在2018年11月的乌镇世界互联网大会发布，并于今年4月宣布了客户芯片商用，这款产品既不属于CPU，也并非NPU，与之不同的是，AIPU定义了一套新的适用于AI算法的指令集，更加贴合AI的需求。

安谋中国宣发了3个生产线中的另一个重磅产品——“星辰”第一代产品STAR-MC1。

一杯基酒：支持Armv8-M架构

星辰处理器（STAR-MC1）是一款安谋中国自研的嵌入式处理器，主要为满足AIoT应用性能、功耗、安全方面而生。星辰意指开发者希望这款产品能够像启明星一样在国内冉冉升起，为产业赋能；另外，MC1则代表Micro controller系列第一个CPU。

从研发历史上来看，安谋中国从2018年4月成立至2019年9月星辰发布第一个EAC版本，对Arm的核心架构进行了升级，包括Armv6-M和Armv7-M，并加入了定制化的指令集，而这些仅用了17个月。在2020年6月30日，STAR-MC1发布了第二个版本，也是最终版本，支持了Armv8-M架构。Armv8-M架构是Arm19年下半年更新的最新架构，STAR-MC1是第一个对新架构实现的产品，同时STAR-MC1第二版指令扩展处理器和Arm剑桥团队同时推出，充分表明了安谋中国团队在CPU设计的技术和速度是全球领先的。性能方面，达到了1.5 DMIPS/MHz & 4.02 Coremark/MHz这样的水准，同时继承了V7和V8结构的DSP指令和浮点指令计算单元，这些新的结构体系的升级，使得它可提供比上一代的Arm处理器高20%的性能提升（在同一主频下）。另外，在功耗上也与性能进行了均衡的配置。

图：STAR-MC1支持最新Armv8-M架构并具有最新安全技术

一款特调：安谋中国特色功能

除了Armv8-M的所有特色以外，需要注意的是STAR-MC1进一步拓展了TrustZone这一安全功能。未来智能物联网设备中，无论是生活还是工业生产、汽车电子领域，安全会是下一个重要的痛点，因此将手机AP熟悉的安全技术引入了微处理器中，进一步在生态可集成角度发展微处理器安全技术。

TrustZone安全方案可将运行环境隔离为安全区和非安全区，用户的敏感运行程序可放在安全区运行，反之一些应用型程序则可放在非安全区执行。通过这种硬件的隔离方式，可以保证服务程序、敏感数据、用户数据得到很好的保护，这是TrustZone的一贯概念，也从A级别处理器继承到了M级别处理器中，对生态的可延续性是非常友好的。

值得一提的是，STAR-MC1的创新性在于整个缓存（Cache）的结构引入了M级别的处理器中，这种特色可充分提高系统级的性能和效率。刘澍强调，很多处理器数据的读取需要通过总线或外部存储读取，这对系统的效率和功耗是一种很大的浪费。以前的微处理器中，为了节省面积和成本，并没有使用缓存技术。

图：STAR-MC1的整体特色功能

需要注意的是，STAR-MC1在Armv8-M的架构中植入了两个用于定制化扩展的重要特色功能：

1、加入了协处理器接口。刘澍表示很多客户会在细分市场做出不同创新，对于通用处理器来说，在细分市场拥有突出的特点是非常重要的，诸如加入FFT加速、编码器加速功能，这些加速可以通过这个协处理器接口上接入协处理器快速完成。

2、加入了用户可定制化指令集。Armv8-M创新架构下，客户可以自由定制指令集，通过自己的指令集一方面可将特色操作固化在CPU流水线中，提供高效执行效率；另一方面，对客户的软硬件知识产权进行保护和差异化。

图：STAR-MC1具有可定制指令集

安谋中国IP的设计理念在于通用设计之上，要给用户和客户提供可定义、可扩展的灵活性，最终将体现在细分市场的高效率上，此前发布的周易产品也具有这种可扩展、可定制化的接口和扩展技术。

STAR-MC1也是第一个在CPU引入这种技术的。通过这种协处理器硬件接口，直接访问CPU内部的寄存器堆，操作寄存器堆操作数并将结果返回到寄存器，可让其他Arm指令直接再处理，这样效果会比协处理器更高。而这样的定制化指令扩展，可使用户和Arm程序间交互实现零延迟和无缝连接，同时编译工具链中也有预留接口充分保护客户的软硬件知识产权之外，还能对各个市场不同效能或处理性能要求得到充分满足。

生态系统方面，除了Arm本身工具的加持之外，STAR-MC1也支持主流的各种工具链、编译器、操作系统、仿真器，保证能在研发上拥有流畅和良好的体验。

图：STAR-MC1的生态系统支持

一斟百搭：助力国产化器件

目前STAR-MC1已有很多客户采用，并已取得流片，截至目前，星辰处理器已有30个授权客户，这30个授权客户里有21个客户已经有项目进行集成、设计，其中有7个项目已流片，广泛应用于通用MCU、互联芯片、系统控制、汽车电子、存储、定位、传感器控制等领域。在媒体分享会上，也有合作厂商讲述了和星辰处理器的故事。灵动微电子表示，安谋中国推出的STAR-MC1契合了公司的想法，很快就会与安谋中国获取许可，着手一系列工作。

MCU有四个方面特别重要：其一，产品自身的可靠性和安全性，从应用层面和底层被破译；其二，拥有丰富的可连接性，即丰富的接口；其三，拥有低功耗，延长使用寿命；其四；拥有可靠性，包括静电保护，效应、浪涌、脉冲干扰等。而这些恰好与STAR-MC1刚好契合，与STAR-MC1的合作除了更换处理器以外，整体的封装管脚也将从20个增加到100个，频率将从24M提升到164M。

图：灵动微认为MCU的发展与STAR-MC1特性相符

全志科技最新发布的XR806是基于STAR-MC1开发的一款低功耗、高性能、安全为一体的IoT芯片。根据全志科技模拟互联事业部研发副总裁潘攀的介绍，全志科技在无线产品方面已耕耘多年，产品也围绕Arm架构积累多年经验。2018年安谋中国在介绍这款MCU核时全志科技就非常感兴趣，主要原因在于产品的特性非常符合XR806这款产品的定义需求，并克服了前一代产品的痛点。所以全志科技第一时间与安谋中国深入沟通，并成为了最早开始推进产品化的客户。STAR-MC1主要拥有三方面优点，其一，基于Armv8-M架构拥有更高的性能和能效比；其二，具有Arm环境的支持，特别是TrustZone的安全机制；其三，拥有浮点和定点运算的DSP LPA单元。

图6：XR806基于TrustZone技术

华大北斗表示作为国内北斗GNSS卫星导航定位芯片设计厂商，一直与Arm中国持续合作，自主设计研发并量产了全球首颗支持北斗三号信号体制的多系统、多频、基带射频一体化、高精度SoC芯片。结合最新的宽带射频技术、可配置的基带技术、抗干扰技术、超低功耗技术等一系列最新设计技术，在一颗芯片上实现了多系统、多频、高精度、抗干扰、低功耗、高集成、小型化等多项行业典型指标，为北斗三号系统全球组网地面应用提供了必不可少的芯片级高精度产品支撑。

可广泛应用于汽车精准导航、车辆管理、精准农业、智慧物流、智能驾驶、GIS采集、工程测绘等领域。同时，华大北斗也基于核心芯片提供北斗开放平台，以开放共享的姿态，携同产业链研发力量，共同打造中国北斗芯，为全球用户带来更精准的中国芯体验。

作为一个国产化的处理器，Arm衍生的嵌入式处理器，可以看出STAR-MC1贴合市场的需求，且也已取得非常多客户认可。而在许多人会担心的授权方面，安谋中国负责人表示，经过技术分析，STAR-MC1并不会受到相关进出口管制。

通过新产品以及已发布的产品，不难发现未来安谋中国的目标是“周易”+“星辰”+“山海”的一整套AIoT端自研产品加持。最终将有多少相关产品量产，我们将持续关注。