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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(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)智能財產(chǎn)(IP)核心的處理器，即我們通常所說的ARM 處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器 75%以上的市場，ARM技術(shù)不止逐步滲入到我們生活的各個方面，我們甚至可以說，ARM于人類的生活環(huán)境中，已經(jīng)是不可或缺的一環(huán)。 目前市面上常見的ARM處理器架構(gòu)，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進行開發(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(gòu)的廠商。 ARM首個多核心架構(gòu)為ARM11 MPCore，架構(gòu)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，為了進一步提升效能，其管線長度擴展到8階，處理單元則增加為預(yù)取、譯碼、發(fā)送、轉(zhuǎn)換 /MAC1、執(zhí)行/MAC2、內(nèi)存存取/MAC3和寫入等八個單元，體系上屬于ARM V6指令集架構(gòu)。ARM11采用當時最先進的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說，這顯然是個相當驚人的程度，不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個均衡的設(shè)定，因此幾乎沒有廠商推出達到1GHz的ARM11架構(gòu)處理器。 ARM11的邏輯核心也經(jīng)過大量的改進，其中最重要的當屬“靜/動態(tài)組合轉(zhuǎn)換的預(yù)測功能”。ARM11的執(zhí)行單元包含一個64位、4種狀態(tài)的地址轉(zhuǎn)換緩沖，它主要用來儲存最近使用過的轉(zhuǎn)換地址。當采用動態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測機制而無法在尋址緩沖內(nèi)找到正確的地址時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測功能就會立刻接替它的位置。在實際測試中，單純采用動態(tài)預(yù)測的準確率為88%，單純采用靜態(tài)預(yù)測機制的準確率 只有77%，而ARM11的靜/動態(tài)預(yù)測組合機制可實現(xiàn)92%的高準確率。針對高時脈速度帶來功耗增加的問題，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(jù)任務(wù)負荷情況動態(tài)調(diào)節(jié)處理器的電壓，進而有效降低自身的功耗。這一系列改進讓ARM11的功耗效能比得以繼續(xù)提高，平均每MHz只需消耗0.6mW(有快取時為0.8mW)的電力，處理器的最高效能可達到660 Dhrystone MIPS，遠超過上一代產(chǎn)品。 至于ARM11 MPCore，其在架構(gòu)上與ARM11同樣屬于V6指令體系。根據(jù)不同應(yīng)用的需要，MPCore可以被配置為1-4個處理器的組合方式，根據(jù)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個基于ARM11架構(gòu)的處理器核心，由于多核心設(shè)計的優(yōu)點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(yīng)用中擁有良好的表現(xiàn)，這一點很適合未來家庭消費電子的需要。例如，機頂盒在錄制多個頻道電視節(jié)目的同時，還可通過互聯(lián)網(wǎng)收看數(shù)字視頻點播節(jié)目、車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)在提供導(dǎo)航功能的同時，仍然有余力可以向后座乘客播放各類視頻碼流等。 RISC家族之ARC架構(gòu) 與其它RISC處理器技術(shù)相較起來，ARC的可調(diào)整式(Configurable)架構(gòu)，為其在變化多端的芯片應(yīng)用領(lǐng)域中爭得一席之地。其可調(diào)整式架構(gòu)主要著眼于不同的應(yīng)用，需要有不同的功能表現(xiàn)，固定式的芯片架構(gòu)或許可以面面俱到，但是在將其設(shè)計進入產(chǎn)品之后，某些部分的功能可能完全沒有使用到的機會，即使沒有使用，開發(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)的進步，芯片體積的微縮化，讓半導(dǎo)體廠商可以利用相同尺寸的晶圓切割出更多芯片，通過標準化，則是有助于降低芯片設(shè)計流程，單一通用IP所設(shè)計出來的處理器即可應(yīng)用于各種用途，不需要另辟產(chǎn)能來生產(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(xiàn)象。 在ARC的設(shè)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(shè)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(yīng)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，可以在低時鐘下輕松進行諸如藍光光盤的H。264編譯碼處理，此架構(gòu)稱為VideoSubsystem，基本上該應(yīng)用處理器就可以擔任通用運算工作，不過也可以與其它諸如ARM或MIPS體系進行連結(jié)，以滿足應(yīng)用程序的兼容性與影音數(shù)據(jù)流的加速。 RISC家族之Tensilica架構(gòu) Tensilica公司的 Xtensa 處理器是一個可以自由配置、可以彈性擴張，并可以自動合成的處理器核心。Xtensa 是第一個專為嵌入式單芯片系統(tǒng)而設(shè)計的微處理器。為了讓系統(tǒng)設(shè)計工程師能夠彈性規(guī)劃、執(zhí)行單芯片系統(tǒng)的各種應(yīng)用功能，Xtensa 在研發(fā)初期就已鎖定成一個可以自由裝組的架構(gòu)，因此我們也將其架構(gòu)定義為可調(diào)式設(shè)計。 Tensilica公司的主力產(chǎn)品線為Xtensa，該產(chǎn)品可讓系統(tǒng)設(shè)計工程師可以挑選所需的單元架構(gòu)，再加上自創(chuàng)的新指令與硬件執(zhí)行單元，就可以設(shè)計出比其它傳統(tǒng)方式強大數(shù)倍的處理器核心。Xtensa 生產(chǎn)器可以針對每一個處理器的特殊組合，自動有效地產(chǎn)生出一套包括操作系統(tǒng)，完善周全的軟件工具。 Xtensa為一32位處理器，該結(jié)構(gòu)特色是有一套專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、精簡且效能表現(xiàn)不錯的16與24位指令集。其基本結(jié)構(gòu)擁有80個 RISC 指令，其中包括32位 ALU，6個管理特殊功能的緩存器，32或64個普通功能32位緩存器。這些32位緩存器都設(shè)有加速運行功能的信道。Xtensa 處理器的指令相當精簡，系統(tǒng)設(shè)計師可以以此縮減程序代碼的長度，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(tǒng)ASIC而言，能達到有效減低成本。Xtensa 的指令集構(gòu)架包括有效的分支指令，例如：經(jīng)合成的比較 - 分歧循環(huán)、零開銷循環(huán)和二進制處理，包括漏斗切換和字段抽段操作等。浮點運算單元與向量 DSP 單元是 Xtensa 結(jié)構(gòu)上兩個可以加選的處理單元，可以加強在特定應(yīng)用的效能表現(xiàn)。 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(gòu)的設(shè)計，也如美國人的性格一般，相當?shù)拇髿馇依硐牖�。MIPS架構(gòu)起源，可追溯到1980年代，斯坦福大學和伯克利大學同時開始RISC架構(gòu)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年時被SGI所并購，但隨著MIPS架構(gòu)在桌面市場的失守，后來在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，將市場目標導(dǎo)向嵌入式系統(tǒng)，并且統(tǒng)一旗下處理器架構(gòu)，區(qū)分為32-bit以及64-bit兩大家族，以技術(shù)授權(quán)成為主要營利模式。 MIPS除了在手機中應(yīng)用得比例極小外，其在一般數(shù)字消費性、網(wǎng)絡(luò)語音、個人娛樂、通訊、與商務(wù)應(yīng)用市場有著相當不錯的成績，不過近年來因為其它IP授權(quán)公司的興起，其占有比率稍有衰退。MIPS應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)屬家庭視聽電器(包含機頂盒)、網(wǎng)通產(chǎn)品以及汽車電子方面。 對于MIPS，其核心技術(shù)強調(diào)的是多執(zhí)行緒處理能力(Multiple issue，國內(nèi)也通常稱作多發(fā)射核技術(shù)，以下以此稱謂)。一般來說，多核心與多發(fā)射是兩個并不是互斥的體系，可以彼此結(jié)合，然而在嵌入式領(lǐng)域，ARM與MIPS這兩大處理器IP廠商對這兩個架構(gòu)的態(tài)度不同，造成這兩個架構(gòu)在嵌入式市場上對抗的結(jié)果。 MIPS的多發(fā)射體系為MIPS34K系列，此為32位架構(gòu)處理器，從架構(gòu)上來看，其實多發(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，分割出來虛擬為另一個核心，以提高處理單元的利用率。在技術(shù)上，為了實現(xiàn)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(fù)雜度方面同樣都比單核心架構(gòu)來得復(fù)雜許多。 34K核心能執(zhí)行現(xiàn)有的對稱式二路SMP操作系統(tǒng)(OSes)與應(yīng)用軟件，通過操作系統(tǒng)的主動管理，現(xiàn)有的應(yīng)用軟件也能善用多發(fā)射處理能力。它亦能應(yīng)用在多個執(zhí)行線程各自有不同角色的(AMP或非對稱式多重處理)環(huán)境下。此外，34K核心能設(shè)定一或兩個虛擬處理組件(VPE)以及多至5個線程內(nèi)容(Thread Content)，提供相當高的設(shè)計彈性。MIPS的多發(fā)射在任務(wù)切換時，有多余的硬件緩存器可以記錄執(zhí)行狀態(tài)，避免切換任務(wù)時，因為必須重新加載指令，或者是重新執(zhí)行某部分的工作，造成整個執(zhí)行線程的延遲。不過即便能夠達到同時執(zhí)行多個任務(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(zhí)行緒面臨高負載時，其它執(zhí)行緒的處理時間就有可能會被壓縮，甚至被暫停。而不同執(zhí)行緒在執(zhí)行的過程中，諸如內(nèi)存鎖定、解鎖以及同步等處理過程在多發(fā)射體系上也會發(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(gòu)的(以兩個執(zhí)行緒對兩個核心的比較而言)。 不過多發(fā)射體系的優(yōu)點在于硬件效率高，理論上功耗也能有效降低。部分IC設(shè)計公司也推出了基于MIPS架構(gòu)的平行架構(gòu)多核心，形成兼具多核與多發(fā)射的應(yīng)用架構(gòu)，相信在未來這種體系將會納入MIPS的原生架構(gòu)當中，以應(yīng)付更復(fù)雜的應(yīng)用。 CISC家族之VIA架構(gòu) 目前仍存活的X86處理器廠商，除了身為世界第一大半導(dǎo)體廠的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)品線的經(jīng)營上，向來遭受大廠的打壓， VIA過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Intel以及AMD這兩家CPU大廠，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PC獲得滿堂彩以外，在UMPC以及嵌入式系統(tǒng)方面，也都能提供相當優(yōu)秀的解決方案。 VIA 的主流產(chǎn)品線為C7-M處理器，該款處理器共分兩個型號——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模式下電壓會下調(diào)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之中還會有一個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，使其在低價計算機、嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中，成為不能忽視的第三勢力。 CISC家族之AMD架構(gòu) AMD是在主流市場上，唯一能與Inte抗衡的X86處理器廠商，然而在購并ATI之后，其表現(xiàn)只能算差強人意，以目前所規(guī)劃的主流產(chǎn)品線而言(包含CPU與GPU)，其實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，既有先進的處理器技術(shù)，又是GPU技術(shù)第二領(lǐng)導(dǎo)者，兼以效能表現(xiàn)相當優(yōu)秀的主機板芯片產(chǎn)品，以及自有的晶圓廠，雖不及Intel霸氣，仍然占有很大市場份額。 在嵌入式應(yīng)用方面，其實過去AMD有向MIPS授權(quán)其IP，開發(fā)出Alchemy產(chǎn)品線，算是直接向Intel過去的ARM架構(gòu)Xscale直接叫陣的一款產(chǎn)品，然而此產(chǎn)品并未擄獲市場眼光，在應(yīng)用上一向偏弱勢，后來AMD也將之擺脫，開始利用自己的X86處理器來經(jīng)營嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。 AMD在嵌入式X86處理器方面的產(chǎn)品線為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(xiàn)不佳，功能也未能比VIA的產(chǎn)品出色，定位相當尷尬。針對移動平臺開發(fā)的X86處理核心，代號為“Botcat”，不過目前信息還不完備，因此只能從時間點推論，該處理器將有可能使用簡化降頻版的K8核心，但推出時間在今年，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AMD購并ATI之后，得以將Fusion的概念帶給消費者，F(xiàn)usion算是身兼AMD與ATI二者之長，具備了先進的處理器核心、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(yīng)用，到高功耗的效能級產(chǎn)品，都是Fusion的產(chǎn)品守備范圍內(nèi)，但Fusion最早要到2009年才會進入市場。 |
