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RISC家族之ARM處理器 ARM公司于1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術(shù)的授權。目前，采用ARM技術(shù)智能財產(chǎn)(IP)核心的處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM 處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于A(yíng)RM技術(shù)的處理器應用約占據了32位RISC微處理器 75%以上的市場(chǎng)，ARM技術(shù)不止逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面，我們甚至可以說(shuō)，ARM于人類(lèi)的生活環(huán)境中，已經(jīng)是不可或缺的一環(huán)。 目前市面上常見(jiàn)的ARM處理器架構，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進(jìn)行開(kāi)發(fā)驗證，市面上還未有相關(guān)產(chǎn)品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構的廠(chǎng)商。 ARM首個(gè)多核心架構為ARM11 MPCore，架構于原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發(fā)布于2002年10月份，為了進(jìn)一步提升效能，其管線(xiàn)長(cháng)度擴展到8階，處理單元則增加為預取、譯碼、發(fā)送、轉換 /MAC1、執行/MAC2、內存存取/MAC3和寫(xiě)入等八個(gè)單元，體系上屬于A(yíng)RM V6指令集架構。ARM11采用當時(shí)最先進(jìn)的0.13μm制造制程，運行頻率最高可達500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作頻率能夠輕松達到1GHz以上—對于嵌入式處理器來(lái)說(shuō)，這顯然是個(gè)相當驚人的程度，不過(guò)顯然1GHz在A(yíng)RM11體系中不算是個(gè)均衡的設定，因此幾乎沒(méi)有廠(chǎng)商推出達到1GHz的ARM11架構處理器。 ARM11的邏輯核心也經(jīng)過(guò)大量的改進(jìn)，其中最重要的當屬“靜/動(dòng)態(tài)組合轉換的預測功能”。ARM11的執行單元包含一個(gè)64位、4種狀態(tài)的地址轉換緩沖，它主要用來(lái)儲存最近使用過(guò)的轉換地址。當采用動(dòng)態(tài)轉換預測機制而無(wú)法在尋址緩沖內找到正確的地址時(shí)，靜態(tài)轉換預測功能就會(huì )立刻接替它的位置。在實(shí)際測試中，單純采用動(dòng)態(tài)預測的準確率為88%，單純采用靜態(tài)預測機制的準確率 只有77%，而ARM11的靜/動(dòng)態(tài)預測組合機制可實(shí)現92%的高準確率。針對高時(shí)脈速度帶來(lái)功耗增加的問(wèn)題，ARM11采用一項名為“IEM (Intelligent Energy Manager)”的智能電源管理技術(shù)，該技術(shù)可根據任務(wù)負荷情況動(dòng)態(tài)調節處理器的電壓，進(jìn)而有效降低自身的功耗。這一系列改進(jìn)讓ARM11的功耗效能比得以繼續提高，平均每MHz只需消耗0.6mW(有快取時(shí)為0.8mW)的電力，處理器的最高效能可達到660 Dhrystone MIPS，遠超過(guò)上一代產(chǎn)品。 至于A(yíng)RM11 MPCore，其在架構上與ARM11同樣屬于V6指令體系。根據不同應用的需要，MPCore可以被配置為1-4個(gè)處理器的組合方式，根據官方資料，其最高性能約可達到2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是標準的同質(zhì)多核心處理器，組成MPCore的是4個(gè)基于A(yíng)RM11架構的處理器核心，由于多核心設計的優(yōu)點(diǎn)是在頻率不變的情況下讓處理器的性能獲得明顯提升，因此可望在多任務(wù)應用中擁有良好的表現，這一點(diǎn)很適合未來(lái)家庭消費電子的需要。例如，機頂盒在錄制多個(gè)頻道電視節目的同時(shí)，還可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收看數字視頻點(diǎn)播節目、車(chē)內導航系統在提供導航功能的同時(shí)，仍然有余力可以向后座乘客播放各類(lèi)視頻碼流等。 RISC家族之ARC架構 與其它RISC處理器技術(shù)相較起來(lái)，ARC的可調整式(Configurable)架構，為其在變化多端的芯片應用領(lǐng)域中爭得一席之地。其可調整式架構主要著(zhù)眼于不同的應用，需要有不同的功能表現，固定式的芯片架構或許可以面面俱到，但是在將其設計進(jìn)入產(chǎn)品之后，某些部分的功能可能完全沒(méi)有使用到的機會(huì )，即使沒(méi)有使用，開(kāi)發(fā)商仍需支付這些〝多余〞部分的成本，形成了浪費。 由于制程技術(shù)的進(jìn)步，芯片體積的微縮化，讓半導體廠(chǎng)商可以利用相同尺寸的晶圓切割出更多芯片，通過(guò)標準化，則是有助于降低芯片設計流程，單一通用IP所設計出來(lái)的處理器即可應用于各種用途，不需要另辟產(chǎn)能來(lái)生產(chǎn)特定型號或功能的產(chǎn)品，大量生產(chǎn)也有助于降低單一芯片的成本，而這也是目前嵌入式處理器的共通現象。 在A(yíng)RC的設計概念中，是追求單一芯片成本的最小化，量體裁衣，這需要在設計階段依靠特定EDA軟件才能做到。 ARC近期也推出了基于700系列的多媒體應用加速處理器，其中整合了ARC 700通用處理核心，以及高速SIMD處理單元，可以在低時(shí)鐘下輕松進(jìn)行諸如藍光光盤(pán)的H。264編譯碼處理，此架構稱(chēng)為VideoSubsystem，基本上該應用處理器就可以擔任通用運算工作，不過(guò)也可以與其它諸如ARM或MIPS體系進(jìn)行連結，以滿(mǎn)足應用程序的兼容性與影音數據流的加速。 RISC家族之Tensilica架構 Tensilica公司的 Xtensa 處理器是一個(gè)可以自由配置、可以彈性擴張，并可以自動(dòng)合成的處理器核心。Xtensa 是第一個(gè)專(zhuān)為嵌入式單芯片系統而設計的微處理器。為了讓系統設計工程師能夠彈性規劃、執行單芯片系統的各種應用功能，Xtensa 在研發(fā)初期就已鎖定成一個(gè)可以自由裝組的架構，因此我們也將其架構定義為可調式設計。 Tensilica公司的主力產(chǎn)品線(xiàn)為Xtensa，該產(chǎn)品可讓系統設計工程師可以挑選所需的單元架構，再加上自創(chuàng )的新指令與硬件執行單元，就可以設計出比其它傳統方式強大數倍的處理器核心。Xtensa 生產(chǎn)器可以針對每一個(gè)處理器的特殊組合，自動(dòng)有效地產(chǎn)生出一套包括操作系統，完善周全的軟件工具。 Xtensa為一32位處理器，該結構特色是有一套專(zhuān)門(mén)為嵌入式系統設計、精簡(jiǎn)且效能表現不錯的16與24位指令集。其基本結構擁有80個(gè) RISC 指令，其中包括32位 ALU，6個(gè)管理特殊功能的緩存器，32或64個(gè)普通功能32位緩存器。這些32位緩存器都設有加速運行功能的信道。Xtensa 處理器的指令相當精簡(jiǎn)，系統設計師可以以此縮減程序代碼的長(cháng)度，從而提高指令的密集度并降低功耗。相對于高合成的單芯片系統ASIC而言，能達到有效減低成本。Xtensa 的指令集構架包括有效的分支指令，例如：經(jīng)合成的比較 - 分歧循環(huán)、零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)和二進(jìn)制處理，包括漏斗切換和字段抽段操作等。浮點(diǎn)運算單元與向量 DSP 單元是 Xtensa 結構上兩個(gè)可以加選的處理單元，可以加強在特定應用的效能表現。 RISC家族之MIPS處理器 MIPS是美國歷史悠久的RISC處理器體系，其架構的設計，也如美國人的性格一般，相當的大氣且理想化。MIPS架構起源，可追溯到1980年代，斯坦福大學(xué)和伯克利大學(xué)同時(shí)開(kāi)始RISC架構處理器的研究。 MIPS公司成立于1984年，隨后在 1986年推出第一款R2000處理器，在1992年時(shí)被SGI所并購，但隨著(zhù)MIPS架構在桌面市場(chǎng)的失守，后來(lái)在1998年脫離了SGI，成為MIPS技術(shù)公司，并且在1999年重新制定 公司策略，將市場(chǎng)目標導向嵌入式系統，并且統一旗下處理器架構，區分為32-bit以及64-bit兩大家族，以技術(shù)授權成為主要營(yíng)利模式。 MIPS除了在手機中應用得比例極小外，其在一般數字消費性、網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音、個(gè)人娛樂(lè )、通訊、與商務(wù)應用市場(chǎng)有著(zhù)相當不錯的成績(jì)，不過(guò)近年來(lái)因為其它IP授權公司的興起，其占有比率稍有衰退。MIPS應用最為廣泛的應屬家庭視聽(tīng)電器(包含機頂盒)、網(wǎng)通產(chǎn)品以及汽車(chē)電子方面。 對于MIPS，其核心技術(shù)強調的是多執行緒處理能力(Multiple issue，國內也通常稱(chēng)作多發(fā)射核技術(shù)，以下以此稱(chēng)謂)。一般來(lái)說(shuō)，多核心與多發(fā)射是兩個(gè)并不是互斥的體系，可以彼此結合，然而在嵌入式領(lǐng)域，ARM與MIPS這兩大處理器IP廠(chǎng)商對這兩個(gè)架構的態(tài)度不同，造成這兩個(gè)架構在嵌入式市場(chǎng)上對抗的結果。 MIPS的多發(fā)射體系為MIPS34K系列，此為32位架構處理器，從架構上來(lái)看，其實(shí)多發(fā)射核技術(shù)只是為了盡量避免處理單元閑置浪費而為的折衷手段，就是將處理器中的閑置處理單元，分割出來(lái)虛擬為另一個(gè)核心，以提高處理單元的利用率。在技術(shù)上，為了實(shí)現硬件多重處理，多核心與多發(fā)射兩者對于軟件最佳化的復雜度方面同樣都比單核心架構來(lái)得復雜許多。 34K核心能執行現有的對稱(chēng)式二路SMP操作系統(OSes)與應用軟件，通過(guò)操作系統的主動(dòng)管理，現有的應用軟件也能善用多發(fā)射處理能力。它亦能應用在多個(gè)執行線(xiàn)程各自有不同角色的(AMP或非對稱(chēng)式多重處理)環(huán)境下。此外，34K核心能設定一或兩個(gè)虛擬處理組件(VPE)以及多至5個(gè)線(xiàn)程內容(Thread Content)，提供相當高的設計彈性。MIPS的多發(fā)射在任務(wù)切換時(shí)，有多余的硬件緩存器可以記錄執行狀態(tài)，避免切換任務(wù)時(shí)，因為必須重新加載指令，或者是重新執行某部分的工作，造成整個(gè)執行線(xiàn)程的延遲。不過(guò)即便能夠達到同時(shí)執行多個(gè)任務(wù)的能力，多發(fā)射處理器本質(zhì)上仍然是單核心處理器，在單一執行緒面臨高負載時(shí)，其它執行緒的處理時(shí)間就有可能會(huì )被壓縮，甚至被暫停。而不同執行緒在執行的過(guò)程中，諸如內存鎖定、解鎖以及同步等處理過(guò)程在多發(fā)射體系上也會(huì )發(fā)生，因此在極端情況下，多發(fā)射的性能是明顯比不上原生多核心架構的(以?xún)蓚�(gè)執行緒對兩個(gè)核心的比較而言)。 不過(guò)多發(fā)射體系的優(yōu)點(diǎn)在于硬件效率高，理論上功耗也能有效降低。部分IC設計公司也推出了基于MIPS架構的平行架構多核心，形成兼具多核與多發(fā)射的應用架構，相信在未來(lái)這種體系將會(huì )納入MIPS的原生架構當中，以應付更復雜的應用。 CISC家族之VIA架構 目前仍存活的X86處理器廠(chǎng)商，除了身為世界第一大半導體廠(chǎng)的Intel以外，其余兩家都活的相當辛苦，尤其以臺灣的VIA(威盛)為最，該公司在處理器產(chǎn)品線(xiàn)的經(jīng)營(yíng)上，向來(lái)遭受大廠(chǎng)的打壓， VIA過(guò)去所推出的一系列低功耗處理器，雖然效能偏低，但是其功耗控制能力非常優(yōu)秀，遠遠超過(guò)Intel以及AMD這兩家CPU大廠(chǎng)，如今世界潮流逐漸從效能取向走往綠色環(huán)保取向，VIA終于也是媳婦熬成婆，除了在一般低價(jià)PC獲得滿(mǎn)堂彩以外，在UMPC以及嵌入式系統方面，也都能提供相當優(yōu)秀的解決方案。 VIA 的主流產(chǎn)品線(xiàn)為C7-M處理器，該款處理器共分兩個(gè)型號——普通版本及Ultra Low Voltage版本，C7-M普通版本型號擁有1.5GHz/400MHz FSB、1.6GHz/533MHz FSB、1.867GHz/533MHz FSB及最高速度的2GHz/533MHz FSB，電壓由1.004V至1.148V，最高功耗由12W至20W，在P-State模式下電壓會(huì )下調至0.844V，而功耗則只有5W。 Ultra Low Voltage版本的C7-M處理器，擁有1GHz/400MHz FSB、1.2GHz/400MHz FSB及1.5GHz/400MHz FSB，ULV版本工作電壓只需要0.908V至0.956V，最高功耗由5W至7W左右。而ULV之中還會(huì )有一個(gè)Super ULV的C7-M 1GHz，型號為C7-M ULV 779，工作電壓可低至0.796V，最高功耗僅有3.5W。由于這些特點(diǎn)，使其在低價(jià)計算機、嵌入式應用領(lǐng)域中，成為不能忽視的第三勢力。 CISC家族之AMD架構 AMD是在主流市場(chǎng)上，唯一能與Inte抗衡的X86處理器廠(chǎng)商，然而在購并ATI之后，其表現只能算差強人意，以目前所規劃的主流產(chǎn)品線(xiàn)而言(包含CPU與GPU)，其實(shí)都是處于挨打的狀態(tài)。畢竟AMD具有業(yè)界最佳的技術(shù)均衡性，既有先進(jìn)的處理器技術(shù)，又是GPU技術(shù)第二領(lǐng)導者，兼以效能表現相當優(yōu)秀的主機板芯片產(chǎn)品，以及自有的晶圓廠(chǎng)，雖不及Intel霸氣，仍然占有很大市場(chǎng)份額。 在嵌入式應用方面，其實(shí)過(guò)去AMD有向MIPS授權其IP，開(kāi)發(fā)出Alchemy產(chǎn)品線(xiàn)，算是直接向Intel過(guò)去的ARM架構Xscale直接叫陣的一款產(chǎn)品，然而此產(chǎn)品并未擄獲市場(chǎng)眼光，在應用上一向偏弱勢，后來(lái)AMD也將之擺脫，開(kāi)始利用自己的X86處理器來(lái)經(jīng)營(yíng)嵌入式應用領(lǐng)域。 AMD在嵌入式X86處理器方面的產(chǎn)品線(xiàn)為Geode，基本上這是一款整合度相當高的SoC產(chǎn)品，但是速度偏低，效能表現不佳，功能也未能比VIA的產(chǎn)品出色，定位相當尷尬。針對移動(dòng)平臺開(kāi)發(fā)的X86處理核心，代號為“Botcat”，不過(guò)目前信息還不完備，因此只能從時(shí)間點(diǎn)推論，該處理器將有可能使用簡(jiǎn)化降頻版的K8核心，但推出時(shí)間在今年，明顯比對手晚了許多，若要整合K10核心，可能就要等到2009年 之后。 不過(guò)AMD購并ATI之后，得以將Fusion的概念帶給消費者，Fusion算是身兼AMD與ATI二者之長(cháng)，具備了先進(jìn)的處理器核心、高效能的繪圖核心，以及I/O控制能力，從低功耗的嵌入式應用，到高功耗的效能級產(chǎn)品，都是Fusion的產(chǎn)品守備范圍內，但Fusion最早要到2009年才會(huì )進(jìn)入市場(chǎng)。 |
