Cortex-A/Cortex-R/Cortex-M之间的区别

1. 概述
2. 核心定位
3. 架构与技术特性
4. 关键区别
5. 如何查看芯片的核心类型？
- 5.1. 软件查询（最简单、最常用）
6. 与ARM指令集的版本对应关系
- 6.1. 版本对应关系
- 6.2. 如何理解这张表

1. 概述

《CPU的架构》一文中我们介绍了指令集架构的三大家族：x86 家族、ARM 家族、RISC-V。

你知道ARM指令集还有Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三个不同的系列吗？你三个系列处理器核心之间区别和关系吗？本文将带你详细了解一下。

这三个系列分别针对不同的应用领域而设计，可以通俗地理解为：

Cortex-A： 负责“思考”和“交互”的大脑。追求高性能，运行复杂的操作系统。
Cortex-R： 负责“反应”和“控制”的脊髓。追求高实时性和可靠性，用于关键任务控制。
Cortex-M： 负责“感知”和“动作”的周围神经。追求极致的能效比和低成本，用于微型嵌入式控制。

注意： 你会发现一个有趣的事情是这三个系列字母(A、R、M)的组合，正好是ARM。

下面我们从多个维度进行详细的对比。

2. 核心定位

系列	全称	核心定位	典型应用场景
Cortex-A	Application	应用处理器。专注于高性能、高计算能力，以运行复杂的操作系统和丰富的用户应用程序为目标。	智能手机、平板电脑、智能电视、机顶盒、服务器、汽车信息娱乐系统、单板计算机（如树莓派）。
Cortex-R	Real-time	实时处理器。专注于高实时性、高可靠性和容错能力，用于对响应时间有严格要求的关键任务。	汽车制动系统、动力总成、安全气囊、硬盘/固态硬盘（SSD）控制器、工业控制、网络设备基带处理。
Cortex-M	Microcontroller	微控制器。专注于极低的功耗、极小的芯片面积和低成本，用于资源受限的嵌入式系统和物联网（IoT）设备。	智能手表、智能家居设备（传感器、灯泡）、无人机飞控、电机控制、物联网终端、玩具、键盘鼠标。

3. 架构与技术特性

特性	Cortex-A	Cortex-R	Cortex-M
架构	通常为 ARMv7-A 或 ARMv8-A / ARMv9-A（支持64位）	通常为 ARMv7-R 或 ARMv8-R	通常为 ARMv6-M, ARMv7-M, ARMv8-M
内存管理 (MMU/MPU)	完整的MMU（内存管理单元）	可选的MPU（内存保护单元）	通常只有MPU（甚至在低端型号上没有）
中断处理	使用GIC（通用中断控制器），中断响应延迟较高	优化后的中断控制器，中断延迟极低且可预测	集成NVIC（嵌套向量中断控制器），中断延迟极低，入门级
流水线	长且复杂（多发射、乱序执行、超标量）以提升性能	中等长度，深度优化以实现确定性（指令执行时间可预测）	非常短（3级流水线很常见），简单，追求能效和确定性
操作系统支持	Linux, Android, Windows 等丰富操作系统	RTOS（如FreeRTOS, VxWorks），确定性是关键	RTOS（如FreeRTOS, Zephyr, μC/OS），甚至直接裸机编程
开发模式	类似于PC/服务器开发，应用运行在操作系统之上	通常是基于RTOS的固件开发，强调时序和可靠性	绝大部分是裸机（Bare-metal）或轻量级RTOS
性能	极高	高（但侧重于实时性能，而非绝对峰值算力）	低到中（但能效比极高）
功耗	高	中	极低（许多型号支持休眠模式，功耗低至微安级）
成本与面积	高（核心复杂，通常需要外挂DRAM）	中	极低（核心简单，常与Flash、SRAM集成为单芯片MCU）

4. 关键区别

4.1. 内存管理

4.1.1. MMU(内存管理单元)

MMU(Memory Management Unit)是内存管理单元，其核心功能是虚拟内存，能将虚拟地址映射到物理地址。这是运行像Linux这样具有进程隔离、动态加载等特性的完整操作系统的必要条件。

除了虚拟内存内，MMU还具有以下特点：

地址转换： 应用程序看到的地址（虚拟地址）和实际硬件使用的地址（物理地址）是不同的。MMU 负责即时地将虚拟地址翻译成物理地址。这就像你只知道一个公司的部门名称（虚拟地址），而前台管家（MMU）负责帮你找到这个部门在大楼里的具体房间号（物理地址）。
内存保护： 它可以为每个内存页设置权限（如可读、可写、可执行）。如果一个用户程序试图写入操作系统的代码区域（只读），MMU会触发一个异常（段错误），阻止非法访问。
进程隔离： 每个进程都有自己独立的虚拟地址空间。进程A和进程B可以使用相同的虚拟地址，但它们会被MMU映射到不同的物理地址上，从而完全隔离，互不干扰。这是现代多任务操作系统稳定性的基石。
按需分页： 允许操作系统使用硬盘作为虚拟内存（交换空间），当物理内存不足时，将不常用的内存页换出到硬盘，需要时再换入。

4.1.2. MPU(内存保护单元)

MPU(Memory Protection Unit)是内存保护单元，只能设置内存区域的访问权限（如只读、禁止执行）。它更简单，开销更小，主要用于保护关键代码和数据（例如，防止一个任务意外覆盖另一个任务的数据），从而增强系统的可靠性和安全性。它无法实现虚拟内存，因此不能运行Linux。

4.1.3. 两者的关系

MMU 是 MPU 的超集。MMU 提供了 MPU 的所有功能（内存保护），并增加了虚拟内存管理这个至关重要的高级功能。
关系：你可以把 MPU 看作是一个功能阉割版的、轻量级的 MMU。它只负责“保安”的工作（保护区域），而 MMU 既当“保安”又当“高级管家”（管理虚拟地址映射）。

4.2. 实时性(Real-Time)

Cortex-R 和 Cortex-M 都强调实时性，但侧重点不同。
Cortex-R 的“实时”是硬实时（Hard Real-Time），意味着必须在严格确定的时间 deadline 内完成响应，否则会导致灾难性后果（如刹车失灵）。它的所有设计，从流水线到内存访问，都为此优化。
Cortex-M 的实时性通常是软实时（Soft Real-Time） 或对硬实时要求不那么极端的场景。它也能快速响应中断，但其设计首要目标是低功耗和低成本。

4.3. 生态系统与开发

Cortex-A：支持Linux, Android, Windows等复杂的操作系统。开发环境复杂（交叉编译、内核移植、驱动开发），更偏传统的应用软件开发。
Cortex-M/R：同城只支持RTOS等实时操作系统。开发环境相对简单，常用IDE（如Keil MDK, IAR Embedded Workbench, STM32CubeIDE）进行固件开发，更贴近硬件。

5. 如何查看芯片的核心类型？

有以下方法可以查看设备所使用的ARM核心类型(Cortex-A/Cortex-R/Cortex-M)。

5.1. 软件查询（最简单、最常用）

5.1.1. Cortex-A设备

Cortex-A设备同城会运行Linux或Android系统，可通过以下方法来查询。

1. 使用 lscpu 命令

在终端中输入这个命令，输出信息非常详尽。

$ lscpu
Architecture:        aarch64     # 这表示是ARMv8-A 64位架构
CPU(s):              8
On-line CPU(s) list: 0-7
Thread(s) per core:  1
Core(s) per socket:  4
Socket(s):           2
Vendor ID:           ARM
Model name:          Cortex-A72  # 这里直接给出了核心型号！
Model:               3
...

2. 读取 /proc/cpuinfo 文件

在终端中输入 cat /proc/cpuinfo。

$ cat /proc/cpuinfo
processor       : 0
model name      : ARMv7 Processor rev 4 (v7l) # 架构和版本
BogoMIPS        : 38.40
Features        : half thumb fastmult vfp edsp neon vfpv3 tls vfpv4 idiva idivt vfpd32 lpae evtstrm crc32
CPU implementer : 0x41
CPU architecture: 7**           # ‘7’ 代表 ARMv7
**CPU variant     : 0x0
CPU part        : 0xc07         # 这个代码是关键！
CPU revision    : 4
...

3. 如何解读 CPU part：

你需要将 CPU part 的十六进制代码（如 0xc07）与ARM官方列表对照。

Part Num (Hex)	CPU 内核名称	ARM 架构版本	典型特性与应用备注
0x920	ARM920T	ARMv4T	带MMU，用于早期智能手机、嵌入式设备
0x922	ARM922T	ARMv4T	ARM920T的变种，缓存大小不同
0x926	ARM926EJ-S	ARMv5TE	带Jazelle、MMU，广泛应用于功能手机、微控制器
0x940	ARM940T	ARMv4T	带MPU，用于实时嵌入式应用
0x946	ARM946E-S	ARMv5TE	带MPU、可配置TCM，用于游戏机、嵌入式控制
0x966	ARM966E-S	ARMv5TE	无缓存，带TCM，用于深度嵌入式应用
0xb02	ARM11 MPCore	ARMv6K	支持1-4核SMP，用于智能手机、应用处理器
0xb36	ARM1136J(F)-S	ARMv6	带SIMD、Jazelle，用于移动设备
0xb56	ARM1156T2(F)-S	ARMv6T2	带Thumb-2、MPU，用于实时嵌入式应用
0xb76	ARM1176JZ(F)-S	ARMv6KZ	带TrustZone技术，用于安全应用处理器
0xc05	Cortex-A5	ARMv7-A	高效能应用处理器，支持多核
0xc07	Cortex-A7	ARMv7-A	高能效应用处理器，常用于大小核架构中的小核
0xc08	Cortex-A8	ARMv7-A	高性能单核应用处理器
0xc09	Cortex-A9	ARMv7-A	高性能支持多核的应用处理器
0xc0c	Cortex-A12	ARMv7-A	中高端应用处理器
0xc0f	Cortex-A15	ARMv7-A	高性能应用处理器，常用于大小核架构中的大核
0xc14	Cortex-R4	ARMv7-R	高性能实时处理器
0xc15	Cortex-R5	ARMv7-R	实时处理器，支持双核锁步
0xc17	Cortex-R7	ARMv7-R	高性能实时处理器
0xc20	Cortex-M0	ARMv6-M	超低功耗微控制器
0xc21	Cortex-M1	ARMv6-M	专为FPGA设计的微控制器
0xc23	Cortex-M3	ARMv7-M	高性能微控制器
0xc24	Cortex-M4	ARMv7E-M	带DSP指令的微控制器
0xc27	Cortex-M7	ARMv7E-M	高性能带DSP和FPU的微控制器
0xc60	Cortex-M0+	ARMv6-M	极致能效微控制器
0xd01	Cortex-A32	ARMv8-A	32位-only, 高效能应用处理器 (AArch32)
0xd03	Cortex-A53	ARMv8-A	高能效64位应用处理器，常见于大小核中的小核
0xd04	Cortex-A35	ARMv8-A	极高能效64位应用处理器
0xd05	Cortex-A55	ARMv8.2-A	高能效AI增强型应用处理器 (常见于中端手机)
0xd07	Cortex-A57	ARMv8-A	高性能64位应用处理器，常见于大小核中的大核
0xd08	Cortex-A72	ARMv8-A	高性能64位应用处理器
0xd09	Cortex-A73	ARMv8-A	高性能高能效64位应用处理器
0xd0a	Cortex-A75	ARMv8.2-A	高性能64位应用处理器
0xd0b	Cortex-A76	ARMv8.2-A	高性能64位应用处理器
0xd0c	Cortex-A77	ARMv8.2-A	高性能64位应用处理器
0xd0d	Cortex-A78	ARMv8.2-A	高性能高能效64位应用处理器
0xd0e	Cortex-A710	ARMv9-A	高性能64位应用处理器 (ARMv9)
0xd41	Cortex-A78AE	ARMv8.2-A	适用于汽车电子的Cortex-A78版本
0xd44	Cortex-X1	ARMv8.2-A	极致性能64位应用处理器
0xd4a	Cortex-A510	ARMv9-A	高能效小核 (ARMv9)
0xd4b	Cortex-A715	ARMv9-A	高性能高能效大核 (ARMv9)
0xd4c	Cortex-X2	ARMv9-A	极致性能核 (ARMv9)
0xd4d	Cortex-A720	ARMv9-A	(2023年发布的高效大核)
0xd4e	Cortex-X3	ARMv9-A	(2023年发布的极致性能核)
…	… (持续更新)	…	…

5.1.2. Cortex-R设备

这类处理器通常深嵌入在专用设备中（如硬盘主控、汽车ABS系统），不向用户开放访问接口。普通用户几乎无法直接查询，只能通过：

查阅该设备的技术白皮书或芯片规格书。
询问设备制造商。

5.1.3. Cortex-M设备

Cortex-M设备(微控制器)通常没有通用的操作系统，所以无法运行 lscpu。方法如下：

查看芯片型号： 这是最直接的方法。MCU芯片上会印有型号，例如 STM32F407VGT6。
- “ST”代表意法半导体（STMicroelectronics）。
- “M32”代表ARM Cortex-M内核。
- “F4”代表产品系列。F4系列通常使用Cortex-M4内核。
查阅芯片数据手册（Datasheet）: 这是最权威的方法。去芯片制造商（如ST, NXP, Microchip, TI）的官网找到该型号的官方数据手册（Datasheet）。在首页或内核介绍章节一定会明确写明是 Cortex-M0, M3, M4, M7 等。
通过IDE识别： 当你使用Keil、IAR等IDE为芯片开发程序时，在选择设备型号时，IDE会明确列出该芯片的内核。

6. 与ARM指令集的版本对应关系

6.1. 版本对应关系

这是一个大致的对应关系表，可以帮助你理解它们的演进。需要注意的是，一个架构版本（如ARMv7）可以衍生出适用于不同场景的Profile（A, R, M）。

ARM 架构版本 (ISA)	发布重点	Cortex-A 应用处理器	Cortex-R 实时处理器	Cortex-M 微控制器	关键特性
ARMv4 / v5	早期经典	ARM9, ARM11	-	-	首次推出Thumb指令集
ARMv6	优化与扩展	-	-	Cortex-M0 / M0+ / M1	引入Thumb-2，能效比极高
ARMv7	Profile 分类	Cortex-A5, A7, A8, A9, A15, A17	Cortex-R4, R5, R7	Cortex-M3, M4, M7	NEON SIMD (A系列), Thumb-2, 硬件除法
ARMv8	64位革命	Cortex-A53, A57, A72, A73, A75, A76, A77, A78, X1	Cortex-R52, R82	Cortex-M23, M33, M55, M85	A64/ARM64指令集，TrustZone安全扩展
ARMv9	安全与AI	Cortex-A710, A715, A510, X2, X3, X4	-	(未来M系列会跟进)	SVE2矢量扩展，机密计算领域

6.2. 如何理解这张表

Profile（应用领域细分）：从ARMv7开始，架构明确分为三个Profile：
- **A-profile (Application)**：用于高性能应用处理器。我们手机里的CPU基本都是ARMv7-A或ARMv8-A/ARMv9-A。
- **R-profile (Real-time)**：用于高实时性处理器。
- **M-profile (Microcontroller)**：用于深度嵌入式的微控制器。
向后兼容：ARM架构是向后兼容的。例如，一个支持ARMv8-A的处理器（如Cortex-A53）可以运行为ARMv7-A编译的32位程序。
举例说明：
- 你的 lscpu 命令显示 **Model name: Cortex-A72**，那么它使用的指令集架构就是 ARMv8-A。
- 你的芯片型号是 STM32F103，查阅数据手册知道它是 Cortex-M3 内核，那么它使用的指令集架构就是 ARMv7-M。
- 你的芯片型号是 RP2040（树莓派Pico），它的内核是 **Cortex-M0+**，那么它使用的指令集架构就是 ARMv6-M。