下一代32位架構(gòu)：在性能與功能之間尋求平衡

下一代32位架構(gòu)：在性能與功能之間尋求平衡

　ARM一直致力于以最低的成本 和功耗追求更高的性能。這一努力已經(jīng)通過(guò)連續(xù)一代又一代處理器內(nèi)核的發(fā)布得到了實(shí)現(xiàn)，每一代新的處理器內(nèi)核都會(huì)引入新的流水線(xiàn)設(shè)計(jì)、新的指令集以及新的高速緩存結(jié)構(gòu)。這促成了眾多創(chuàng)新移動(dòng)產(chǎn)品的誕生，并且推動(dòng)了ARM架構(gòu)向性能、功耗以及成本之間的完美平衡發(fā)展。
　　ARM合作伙伴對(duì)處理器的需求跨度很大，性能要求可能從1MHz~1GHz以上各有不同，指令流水線(xiàn)的設(shè)計(jì)要求也各有不同，某些低端系統(tǒng)的成本控制非常嚴(yán)格，而一些非常復(fù)雜的設(shè)計(jì)需要很高的指令吞吐量來(lái)支持。同時(shí)，每一個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)還需要一種指令集流水線(xiàn)之外的處理器設(shè)計(jì)方法；因?yàn)槊恳粋€(gè)細(xì)分市場(chǎng)都有其自身所關(guān)心的問(wèn)題，這對(duì)處理器內(nèi)核及其周邊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)都有不同的要求。
　　ARM解決這一問(wèn)題的方法是最大限度地增加用戶(hù)選擇，使得設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)各自應(yīng)用的需求找到合適的產(chǎn)品。ARM的Cortex架構(gòu)將多個(gè)為特定系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的處理器內(nèi)核結(jié)合起來(lái)，在這些系統(tǒng)中包括了一些在必要時(shí)可以被采用以構(gòu)建最終系統(tǒng)的通用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)IP。Cortex并不僅僅是一個(gè)處理器內(nèi)核系列，它其實(shí)是一個(gè)智能計(jì)算機(jī)架構(gòu)系列，同SoC技術(shù)一起為每一個(gè)目標(biāo)市場(chǎng)提供最合適的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法。
　　ARM Cortex處理器架構(gòu)包括三個(gè)系列，A系列、R系列和M系列，分別針對(duì)不同應(yīng)用的需要。這三個(gè)系列使得ARM能夠滿(mǎn)足嵌入式處理器領(lǐng)域不同的需求，它們有著一致的體系結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)構(gòu)架，使得ARM合作伙伴能夠很方便地根據(jù)不同應(yīng)用的需要選擇合適的處理器。

　　針對(duì)高性能應(yīng)用
　　ARM Cortex-A系列是針對(duì)越來(lái)越熱門(mén)的消費(fèi)娛樂(lè)和無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的。這些產(chǎn)品運(yùn)行著復(fù)雜的操作系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的用戶(hù)界面。ARM Cortex-A配置了最新的低功耗計(jì)算機(jī)架構(gòu)方面的先進(jìn)技術(shù)，為推動(dòng)下一代高端應(yīng)用提供了所需的動(dòng)力。
　　許多應(yīng)用領(lǐng)域中的高級(jí)嵌入式系統(tǒng)需要臺(tái)式電腦級(jí)別的處理能力，但又不能像臺(tái)式電腦那樣使用過(guò)多的能量和內(nèi)存。游戲機(jī)、媒體網(wǎng)關(guān)和高端網(wǎng)絡(luò)路由器對(duì)性能提出的要求都能夠通過(guò)Cortex-A系列得到滿(mǎn)足。在汽車(chē)電子領(lǐng)域，高速多媒體處理器用來(lái)向司機(jī)提供導(dǎo)航助理，向乘客提供高質(zhì)量的電視和音頻，同時(shí)通過(guò)GPRS和3G提供因特網(wǎng)聯(lián)接，作為信息娛樂(lè)化系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。
　　像Linux和Windows CE這些高級(jí)內(nèi)存管理操作系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)復(fù)雜的應(yīng)用執(zhí)行環(huán)境的管理支持是必需的；對(duì)于高端網(wǎng)絡(luò)路由器、高級(jí)機(jī)頂盒和其他應(yīng)用而言，執(zhí)行吞吐量是至關(guān)重要的。ARM Cortex-A系列處理器，在提供內(nèi)存帶寬和流水線(xiàn)性能的同時(shí)，還提供了對(duì)內(nèi)存管理和其他先進(jìn)的操作系統(tǒng)功能的完全支持。
　　同時(shí)，ARM Cortex-A系列中的所有處理器都配置了TrustZone技術(shù)，以向消費(fèi)電子及移動(dòng)通信系統(tǒng)提供更高的安全性能。TrustZone技術(shù)為處理器提供了一種幾乎不可能被攻破的保護(hù)機(jī)制，除非對(duì)硬件本身進(jìn)行替換。TrustZone技術(shù)保護(hù)了片內(nèi)和片外內(nèi)存以及外設(shè)不受軟件的攻擊。由于系統(tǒng)的安全要素被設(shè)計(jì)進(jìn)了內(nèi)核硬件中，安全性能就被帶到了每一件設(shè)備的心臟內(nèi)，成為其固有的特性。
　　TrustZone技術(shù)對(duì)安全的代碼和數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行標(biāo)簽和分割，并保持一個(gè)清晰的、硬件層面的安全信息和非安全信息之間的隔離。這一隔離確保了安全代碼和數(shù)據(jù)能夠在操作系統(tǒng)中安全地、高效地運(yùn)作，并且不容易遭受攻擊。

　　突出實(shí)時(shí)性能
　　深度嵌入式處理器內(nèi)核很快就會(huì)需要跟現(xiàn)在高性能、低功耗架構(gòu)一樣的指標(biāo)。ARM Cortex-R系列就是對(duì)此而設(shè)計(jì)的；在性能上它等價(jià)于現(xiàn)在中等性能的應(yīng)用處理器，但是更專(zhuān)注于系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)的需要。
　　優(yōu)秀的流水線(xiàn)性能和快速響應(yīng)能力將把Cortex架構(gòu)帶入下一代計(jì)算密集型的實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域。舉例來(lái)說(shuō)，汽車(chē)電子設(shè)計(jì)中將更多地使用高性能的節(jié)點(diǎn)設(shè)備來(lái)協(xié)調(diào)眾多的電子系統(tǒng)，提供更多先進(jìn)的安全功能，比如雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)等。
　　在家庭中，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)和機(jī)頂盒將需要能夠?qū)鬏數(shù)拿襟w流進(jìn)行編解碼，從而最大限度地有效利用家庭有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。為了驅(qū)動(dòng)這些系統(tǒng)，高速網(wǎng)絡(luò)處理器就必須支持高效的多媒體加速功能。
　　和ARM Cortex-A一樣，ARM Cortex-R通過(guò)對(duì)完整的ARM及Thumb-2指令集的支持，實(shí)現(xiàn)了對(duì)以前的ARM處理器的完全向后兼容。

　　滲透成本敏感型市場(chǎng)
　　ARM Cortex-M系列處理器把32位的開(kāi)發(fā)優(yōu)點(diǎn)帶入了微處理器市場(chǎng)，為那些正在8位和16位微處理器結(jié)構(gòu)上為添加更多功能而煩惱的用戶(hù)提供了一個(gè)升級(jí)途徑。
　　對(duì)于高性能微處理器的需求正在許多應(yīng)用中不斷增加。消費(fèi)產(chǎn)品正在越來(lái)越多地要求先進(jìn)的32位微處理器來(lái)安全地接入因特網(wǎng)；家電產(chǎn)品可以使用這些連接將自身的狀況報(bào)告給服務(wù)公司，以幫助他們確認(rèn)這些機(jī)器能一直以良好的狀態(tài)進(jìn)行工作。以低價(jià)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（例如ZigBee）連接起來(lái)的空調(diào)系統(tǒng)能夠通過(guò)軟件來(lái)更方便地控制每一間房間的溫度；等等。
　　目前，許多設(shè)計(jì)都使用8位和16位微處理器架構(gòu)。然而，大部分這類(lèi)架構(gòu)很難處理多任務(wù)，或超過(guò)64kB的線(xiàn)性代碼長(zhǎng)度。要想建立更多代碼和內(nèi)存空間的應(yīng)用機(jī)制，需要復(fù)雜的內(nèi)存分頁(yè)或者分段配置。這時(shí)候使用一個(gè)真正的32位架構(gòu)會(huì)更有效率，從而使得大型的微處理器應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)成為可能。
　　與現(xiàn)有的高級(jí)微處理器類(lèi)似，ARM Cortex-M提供了一個(gè)硬件向量中斷控制器，來(lái)確保外設(shè)中斷能夠得到最及時(shí)的處理。在Thumb-2指令集內(nèi)還增加了幾條指令，以支持在最小的空間內(nèi)完成實(shí)時(shí)控制。
　　Cortex-M系列是為現(xiàn)有8位和16位微處理器架構(gòu)用戶(hù)所設(shè)計(jì)的，關(guān)心的焦點(diǎn)是最高的可能代碼密度和最低的系統(tǒng)成本。與ARM Cortex系列中其他成員不同的是，ARM Cortex-M系列處理器只支持Thumb-2指令集。這是一個(gè)改進(jìn)了的內(nèi)核設(shè)計(jì)，但同時(shí)仍通過(guò)對(duì)Thumb-2的支持保持了對(duì)整個(gè)ARM Cortex系列的兼容性。

智能功率管理
　　對(duì)于ARM Cortex系列成員而言，AXI接口的使用使對(duì)電壓和頻率進(jìn)行微調(diào)成為可能，使得設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)散熱或電池壽命指標(biāo)來(lái)建立所需要的能量管理策略。
　　智能能量管理（Intelligent Energy Manager, IEM）解決方案有效運(yùn)用AXI總線(xiàn)協(xié)議中單向通道和多時(shí)鐘域的支持，使得能量消耗最多降低達(dá)60%。ARM IEM技術(shù)以先進(jìn)的算法來(lái)最優(yōu)化處理器工作量與能量消耗間的平衡，并最大限度提高系統(tǒng)響應(yīng)來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)性能的要求。IEM技術(shù)與操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序一起工作，通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)程序接口來(lái)根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地調(diào)節(jié)處理器性能水平。
　　通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能，系統(tǒng)只使用在完成一項(xiàng)任務(wù)前提下盡可能少的能量，從而使得32位架構(gòu)能夠在一個(gè)相當(dāng)廣泛的對(duì)功耗敏感應(yīng)用范圍內(nèi)得到使用。