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下一代32位架构：在性能与功能之间寻求平衡 |
| 作者：云中月8888 栏目：ARM技术 |
下一代32位架构：在性能与功能之间寻求平衡 ［ 作者：Neol Hurley ］ ARM一直致力于以最低的成本 和功耗追求更高的性能。这一努力已经通过连续一代又一代处理器内核的发布得到了实现，每一代新的处理器内核都会引入新的流水线设计、新的指令集以及新的高速缓存结构。这促成了众多创新移动产品的诞生，并且推动了ARM架构向性能、功耗以及成本之间的完美平衡发展。 ARM合作伙伴对处理器的需求跨度很大，性能要求可能从1MHZ~1GHz以上各有不同，指令流水线的设计要求也各有不同，某些低端系统的成本控制非常严格，而一些非常复杂的设计需要很高的指令吞吐量来支持。同时，每一个目标市场还需要一种指令集流水线之外的处理器设计方法；因为每一个细分市场都有其自身所关心的问题，这对处理器内核及其周边基础结构的设计都有不同的要求。 ARM解决这一问题的方法是最大限度地增加用户选择，使得设计团队可以根据各自应用的需求找到合适的产品。ARM的Cortex架构将多个为特定系统所设计的处理器内核结合起来，在这些系统中包括了一些在必要时可以被采用以构建最终系统的通用基础结构IP<-- adcode -->。Cortex并不仅仅是一个处理器内核系列，它其实是一个智能计算机架构系列，同SoC技术一起为每一个目标市场提供最合适的设计开发方法。 ARM Cortex处理器架构包括三个系列，A系列、R系列和M系列，分别针对不同应用的需要。这三个系列使得ARM能够满足嵌入式处理器领域不同的需求，它们有着一致的体系结构以及基础构架，使得ARM合作伙伴能够很方便地根据不同应用的需要选择合适的处理器。 针对高性能应用 ARM Cortex-A系列是针对越来越热门的消费娱乐和无线产品设计的。这些产品运行着复杂的操作系统，并实现了复杂的用户界面。ARM Cortex-A配置了最新的低功耗计算机架构方面的先进技术，为推动下一代高端应用提供了所需的动力。 许多应用领域中的高级嵌入式系统需要台式电脑级别的处理能力，但又不能像台式电脑那样使用过多的能量和内存。游戏机、媒体网关和高端网络路由器对性能提出的要求都能够通过Cortex-A系列得到满足。在汽车电子领域，高速多媒体处理器用来向司机提供导航助理，向乘客提供高质量的电视和音频，同时通过GPRS和3G提供因特网联接，作为信息娱乐化系统的一个组成部分。 像Linux和Windows CE这些高级内存管理操作系统内，对复杂的应用执行环境的管理支持是必需的；对于高端网络路由器、高级机顶盒和其他应用而言，执行吞吐量是至关重要的。ARM Cortex-A系列处理器，在提供内存带宽和流水线性能的同时，还提供了对内存管理和其他先进的操作系统功能的完全支持。 同时，ARM Cortex-A系列中的所有处理器都配置了TrustZone技术，以向消费电子及移动通信系统提供更高的安全性能。TrustZone技术为处理器提供了一种几乎不可能被攻破的保护机制，除非对硬件本身进行替换。TrustZone技术保护了片内和片外内存以及外设不受软件的攻击。由于系统的安全要素被设计进了内核硬件中，安全性能就被带到了每一件设备的心脏内，成为其固有的特性。 TrustZone技术对安全的代码和数据在系统内进行标签和分割，并保持一个清晰的、硬件层面的安全信息和非安全信息之间的隔离。这一隔离确保了安全代码和数据能够在操作系统中安全地、高效地运作，并且不容易遭受攻击。 突出实时性能 深度嵌入式处理器内核很快就会需要跟现在高性能、低功耗架构一样的指标。ARM Cortex-R系列就是对此而设计的；在性能上它等价于现在中等性能的应用处理器，但是更专注于系统实时响应的需要。 优秀的流水线性能和快速响应能力将把Cortex架构带入下一代计算密集型的实时应用领域。举例来说，汽车电子设计中将更多地使用高性能的节点设备来协调众多的电子系统，提供更多先进的安全功能，比如雷达跟踪系统等。 在家庭中，网关系统和机顶盒将需要能够对传输的媒体流进行编解码，从而最大限度地有效利用家庭有线或无线网络。为了驱动这些系统，高速网络处理器就必须支持高效的多媒体加速功能。 和ARM Cortex-A一样，ARM Cortex-R通过对完整的ARM及Thumb-2指令集的支持，实现了对以前的ARM处理器的完全向后兼容。 渗透成本敏感型市场 ARM Cortex-M系列处理器把32位的开发优点带入了微处理器市场，为那些正在8位和16位微处理器结构上为添加更多功能而烦恼的用户提供了一个升级途径。 对于高性能微处理器的需求正在许多应用中不断增加。消费产品正在越来越多地要求先进的32位微处理器来安全地接入因特网；家电产品可以使用这些连接将自身的状况报告给服务公司，以帮助他们确认这些机器能一直以良好的状态进行工作。以低价无线网络（例如ZigBee）连接起来的空调系统能够通过软件来更方便地控制每一间房间的温度；等等。 目前，许多设计都使用8位和16位微处理器架构。然而，大部分这类架构很难处理多任务，或超过64KB的线性代码长度。要想建立更多代码和内存空间的应用机制，需要复杂的内存分页或者分段配置。这时候使用一个真正的32位架构会更有效率，从而使得大型的微处理器应用程序开发成为可能。 与现有的高级微处理器类似，ARM Cortex-M提供了一个硬件向量中断控制器，来确保外设中断能够得到最及时的处理。在Thumb-2指令集内还增加了几条指令，以支持在最小的空间内完成实时控制。 Cortex-M系列是为现有8位和16位微处理器架构用户所设计的，关心的焦点是最高的可能代码密度和最低的系统成本。与ARM Cortex系列中其他成员不同的是，ARM Cortex-M系列处理器只支持Thumb-2指令集。这是一个改进了的内核设计，但同时仍通过对Thumb-2的支持保持了对整个ARM Cortex系列的兼容性。 智能功率管理 对于ARM Cortex系列成员而言，AXI接口的使用使对电压和频率进行微调成为可能，使得设计者能够根据散热或电池寿命指标来建立所需要的能量管理策略。 智能能量管理（Intelligent Energy Manager, IEM）解决方案有效运用AXI总线协议中单向通道和多时钟域的支持，使得能量消耗最多降低达60%。ARM IEM技术以先进的算法来最优化处理器工作量与能量消耗间的平衡，并最大限度提高系统响应来满足用户对性能的要求。IEM技术与操作系统及应用程序一起工作，通过一个标准程序接口来根据需要动态地调节处理器性能水平。 通过动态调节性能，系统只使用在完成一项任务前提下尽可能少的能量，从而使得32位架构能够在一个相当广泛的对功耗敏感应用范围内得到使用。 附文 Thumb-2：Cortex的基本元素 嵌入式市场现在面临的一个普遍的问题就是软件复杂度的急剧扩大。为了维持成本和功耗目标，必须将代码最大限度地压缩并且不影响流水线吞吐量。ARM Cortex系列对原有ARM处理器内核系列进行了改进，在不牺牲性能的前提下提供了很高的代码效率。这一成就是通过ARM的Thumb-2指令集技术来实现的。 Thumb-2指令集使用混合的16位和32位指令来提供改良的代码密度和性能。最初的Thumb指令集只使用16位指令，在功能上是32位ARM指令集的子集，不是所有的操作都能够有效地使用这套小的指令集来完成。大量统计证明Thumb指令集可以令代码密度提高约30%，但会损失一些性能。 Thumb-2通过定义新的指令来解决性能损失的问题。其中一些指令是16位的，用来提高程序控制；另一些是原ARM指令集中的常用指令，以及一些新设计的指令，用以提高性能和数据处理能力。<-- adcode --> Thumb-2带来的一大好处是，不再需要为了某些特殊操作而在ARM和Thumb模式之间进行状态切换。使得一个完整的应用能够以更具空间效率的Thumb-2指令集实现，简化了不以牺牲代码密度或性能为代价的开发过程。 ARM使用EEMBC基准测试组对Thumb-2指令集的性能进行了验证。平均Thumb-2的性能大约是ARM指令集代码性能的98%。但是，内存使用尺寸却显著地减少了，许多应用需要的内存只是原先的75%。 当比较Thumb和Thumb-2时，差别就更为明显，后者的程序平均执行周期数减少了40%。在某些应用中，例如EEMBC的AutoIndy基准测试组，更是达到操过50%的效率提高。基于现有的编译器技术，Thumb-2代码尺寸略微大于Thumb。 * - 本贴最后修改时间：2006-4-30 9:34:33 修改者：云中月8888 |
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