Arm 为 Cortex-M 内核启用自定义指令

加利福尼亚州圣何塞——今年 Arm Techcon 的大新闻是 Arm 正在向客户开放其指令集，以供客户定制 Cortex M 内核指令。

Arm 首席执行官 Simon Segars（图片来源：Kevin Krewell）

Arm 首席执行官 Simon Segars 在他在 Arm TechCon 上的开幕主题演讲中宣布了这些变化。在对 Arm 指令集架构 (ISA) 进行了数十年的严格控制之后，Arm 终于决定允许其被许可方构建自己的自定义指令，这些指令通常有助于加速专门的工作负载。

过去，Arm 抵制这一举措，专注于维护一致的编程模型。与此同时，许多其他知识产权 (IP) 公司利用可定制的指令集做了很好的生意。它们包括 Tensilica（现在是 Cadence 的一部分）和 ARC（现在是 Synopsys 的一部分）。古老的 MIPS 指令集也支持用户自定义指令。

而现在，随着开源 RISC-V ISA 及其用户可配置性的兴起，Arm 似乎终于松了口气，开放了其指令集以用于定制指令。这种新的可定制功能和 Arm 灵活访问许可计划确实解决了许多被许多人视为促使其客户采用 RISC-V 的因素的两个主要问题。

首先是 Cortex M，然后是 Cortex-R

对可定制指令的初步尝试将可用于 Cortex-M 内核。此举主要针对大型 SoC 中的微控制器和控制器内核。

第一个支持可定制指令的 Cortex-M 部件是 Cortex-M33。未来的 Cortex-M 内核将支持这种级别的定制。

另一个好消息是，Arm 不会为为 Cortex M33 定制新指令的能力收取额外费用。 Arm 研究员 Peter Greenhalgh 在会议后期表示，Arm 将为实时 Cortex-R 内核提供可定制的指令支持，最终可能会在应用处理器中使用的 Cortex-A 内核上提供此功能。

Arm TechCon 2019 的 Arm 研究员 Peter Greenhalghat（图片来源：Kevin Krewell）

向 Cortex-R 添加自定义指令对于实时控制应用非常有帮助。他们可以使用专门的指令来加速专门的计算或数据移动。 Arm 何时以及如何为 Cortex-A 内核添加自定义指令支持，部署在智能手机和服务器等主流应用中，要复杂得多，该公司并未正式承诺这样做。

保持可靠性和安全性

Arm 设计了其工具链以支持 Armv8-M 指令集中的这些新用户指令，并且仍然保持用户一直期望从 Arm 获得的可靠性和验证。为了维护核心安全，该公司使新功能与 Arm TrustZone 兼容，自定义指令将被监控。

虽然 Arm 在定制指令方面迟到了，但该公司正在回应客户要求这种能力已有一段时间。在某些情况下，即使是一条专用指令也可以显着提高性能和效率，减少时钟周期并降低总能量。新指令使用相同的寄存器，但需要额外的逻辑，这需要投资额外的芯片面积和设计时间。

新指令与标准 Arm 指令交错。为避免软件碎片化并保持一致的软件开发环境，Arm 希望客户主要在调用的库函数中使用自定义指令。

Armv8-M 配置空间的 Arm 自定义说明（来源：Arm 的白皮书）

Arm 希望客户在 Cortex-M33 上使用自定义指令的最初应用是存储控制器和调制解调器。 Cortex-M33 将于 2020 年免费升级新功能。

对于 Cortex-A 内核，Arm 距离提供任何可定制的指令还有很长的路要走，但它正在为未来准备新的指令和安全扩展。该公司在 Hercules 之后公布了下一代 Cortex-A 内核的代号：它被称为马特宏峰。该处理器内核将添加新指令以加速矩阵乘法，通常用于机器学习神经网络。

Arm 预计新的 Matterhorn 核心将为神经网络的通用矩阵乘法 (GEMM) 计算提供 10 倍的改进。 Arm 还将在整个 CPU 内核和缓存中添加新的安全措施。这些安全扩展将能够控制指针授权，并提供分支目标标识符和内存标记扩展。 Arm 计划提供另一种符合这些新功能的平台安全架构 (PSA) EL2。

降低许可费用

7 月初，该公司宣布了一项新的许可计划，让客户可以以较低的价格访问其一些最受欢迎的 IP。在芯片流片之前，客户无需签署许可协议即可这样做。在 Arm 灵活访问计划下，客户每年只需为单个芯片支付 75,000 美元，为无限数量的芯片支付 200,000 美元。该计划降低了开始使用 Arm 内核的财务障碍。

这些变化被视为 Arm 对 RISC-V 的竞争性反应。但 Arm 正在更进一步，对自己的企业文化进行根本性的改变。

Arm 经历了文化转变，并在其生态系统中采用了更具协作性的模式。作为这些变化的另一个例子，该公司向其芯片合作伙伴开放了开源 Mbed OS 的治理。这将使这些合作伙伴能够更直接地影响 Mbed 的未来发展。目前，ADI、Cypress、Maxim Integrated、Nuvoton、NXP、Renesas、Realtek、Samsung、Silicon Labs 和 u-blox 都积极参与其中。

Arm 正在以前所未有的方式响应市场和客户的需求。该公司仍然存在生存威胁，例如 RISC-V。但迄今为止，该公司的 IP 芯片出货量已达到 1500 亿颗，并预计在两年内将这一数字翻一番。 Arm 是每年出货的绝大多数设备的关键 IP 供应商，它正在做出重要的改变，以跟上不断变化的市场和客户需求。