下一代32位架構：在性能與功能之間尋求平衡

下一代32位架構：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)通過連續(xù)一代又一代處理器內(nèi)核的發(fā)布得到了實現(xiàn)，每一代新的處理器內(nèi)核都會引入新的流水線設計、新的指令集以及新的高速緩存結構。這促成了眾多創(chuàng)新移動產(chǎn)品的誕生，并且推動了ARM架構向性能、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，指令流水線的設計要求也各有不同，某些低端系統(tǒng)的成本控制非常嚴格，而一些非常復雜的設計需要很高的指令吞吐量來支持。同時，每一個目標市場還需要一種指令集流水線之外的處理器設計方法；因為每一個細分市場都有其自身所關心的問題，這對處理器內(nèi)核及其周邊基礎結構的設計都有不同的要求。
　　ARM解決這一問題的方法是最大限度地增加用戶選擇，使得設計團隊可以根據(jù)各自應用的需求找到合適的產(chǎn)品。ARM的Cortex架構將多個為特定系統(tǒng)所設計的處理器內(nèi)核結合起來，在這些系統(tǒng)中包括了一些在必要時可以被采用以構建最終系統(tǒng)的通用基礎結構IP。Cortex并不僅僅是一個處理器內(nèi)核系列，它其實是一個智能計算機架構系列，同SoC技術一起為每一個目標市場提供最合適的設計開發(fā)方法。
　　ARM Cortex處理器架構包括三個系列，A系列、R系列和M系列，分別針對不同應用的需要。這三個系列使得ARM能夠滿足嵌入式處理器領域不同的需求，它們有著一致的體系結構以及基礎構架，使得ARM合作伙伴能夠很方便地根據(jù)不同應用的需要選擇合適的處理器。

　　針對高性能應用
　　ARM Cortex-A系列是針對越來越熱門的消費娛樂和無線產(chǎn)品設計的。這些產(chǎn)品運行著復雜的操作系統(tǒng)，并實現(xiàn)了復雜的用戶界面。ARM Cortex-A配置了最新的低功耗計算機架構方面的先進技術，為推動下一代高端應用提供了所需的動力。
　　許多應用領域中的高級嵌入式系統(tǒng)需要臺式電腦級別的處理能力，但又不能像臺式電腦那樣使用過多的能量和內(nèi)存。游戲機、媒體網(wǎng)關和高端網(wǎng)絡路由器對性能提出的要求都能夠通過Cortex-A系列得到滿足。在汽車電子領域，高速多媒體處理器用來向司機提供導航助理，向乘客提供高質(zhì)量的電視和音頻，同時通過GPRS和3G提供因特網(wǎng)聯(lián)接，作為信息娛樂化系統(tǒng)的一個組成部分。
　　像Linux和Windows CE這些高級內(nèi)存管理操作系統(tǒng)內(nèi)，對復雜的應用執(zhí)行環(huán)境的管理支持是必需的；對于高端網(wǎng)絡路由器、高級機頂盒和其他應用而言，執(zhí)行吞吐量是至關重要的。ARM Cortex-A系列處理器，在提供內(nèi)存帶寬和流水線性能的同時，還提供了對內(nèi)存管理和其他先進的操作系統(tǒng)功能的完全支持。
　　同時，ARM Cortex-A系列中的所有處理器都配置了TrustZone技術，以向消費電子及移動通信系統(tǒng)提供更高的安全性能。TrustZone技術為處理器提供了一種幾乎不可能被攻破的保護機制，除非對硬件本身進行替換。TrustZone技術保護了片內(nèi)和片外內(nèi)存以及外設不受軟件的攻擊。由于系統(tǒng)的安全要素被設計進了內(nèi)核硬件中，安全性能就被帶到了每一件設備的心臟內(nèi)，成為其固有的特性。
　　TrustZone技術對安全的代碼和數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)進行標簽和分割，并保持一個清晰的、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、高效地運作，并且不容易遭受攻擊。

　　突出實時性能
　　深度嵌入式處理器內(nèi)核很快就會需要跟現(xiàn)在高性能、低功耗架構一樣的指標。ARM Cortex-R系列就是對此而設計的；在性能上它等價于現(xiàn)在中等性能的應用處理器，但是更專注于系統(tǒng)實時響應的需要。
　　優(yōu)秀的流水線性能和快速響應能力將把Cortex架構帶入下一代計算密集型的實時應用領域。舉例來說，汽車電子設計中將更多地使用高性能的節(jié)點設備來協(xié)調(diào)眾多的電子系統(tǒng)，提供更多先進的安全功能，比如雷達跟蹤系統(tǒng)等。
　　在家庭中，網(wǎng)關系統(tǒng)和機頂盒將需要能夠?qū)鬏數(shù)拿襟w流進行編解碼，從而最大限度地有效利用家庭有線或無線網(wǎng)絡。為了驅(qū)動這些系統(tǒng)，高速網(wǎng)絡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通過對完整的ARM及Thumb-2指令集的支持，實現(xiàn)了對以前的ARM處理器的完全向后兼容。

　　滲透成本敏感型市場
　　ARM Cortex-M系列處理器把32位的開發(fā)優(yōu)點帶入了微處理器市場，為那些正在8位和16位微處理器結構上為添加更多功能而煩惱的用戶提供了一個升級途徑。
　　對于高性能微處理器的需求正在許多應用中不斷增加。消費產(chǎn)品正在越來越多地要求先進的32位微處理器來安全地接入因特網(wǎng)；家電產(chǎn)品可以使用這些連接將自身的狀況報告給服務公司，以幫助他們確認這些機器能一直以良好的狀態(tài)進行工作。以低價無線網(wǎng)絡（例如ZigBee）連接起來的空調(diào)系統(tǒng)能夠通過軟件來更方便地控制每一間房間的溫度；等等。
　　目前，許多設計都使用8位和16位微處理器架構。然而，大部分這類架構很難處理多任務，或超過64kB的線性代碼長度。要想建立更多代碼和內(nèi)存空間的應用機制，需要復雜的內(nèi)存分頁或者分段配置。這時候使用一個真正的32位架構會更有效率，從而使得大型的微處理器應用程序開發(fā)成為可能。
　　與現(xiàn)有的高級微處理器類似，ARM Cortex-M提供了一個硬件向量中斷控制器，來確保外設中斷能夠得到最及時的處理。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)完成實時控制。
　　Cortex-M系列是為現(xiàn)有8位和16位微處理器架構用戶所設計的，關心的焦點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。這是一個改進了的內(nèi)核設計，但同時仍通過對Thumb-2的支持保持了對整個ARM Cortex系列的兼容性。

　　智能功率管理
　　對于ARM Cortex系列成員而言，AXI接口的使用使對電壓和頻率進行微調(diào)成為可能，使得設計者能夠根據(jù)散熱或電池壽命指標來建立所需要的能量管理策略。
　　智能能量管理（Intelligent Energy Manager, IEM）解決方案有效運用AXI總線協(xié)議中單向通道和多時鐘域的支持，使得能量消耗最多降低達60%。ARM IEM技術以先進的算法來最優(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)響應來滿足用戶對性能的要求。IEM技術與操作系統(tǒng)及應用程序一起工作，通過一個標準程序接口來根據(jù)需要動態(tài)地調(diào)節(jié)處理器性能水平。
　　通過動態(tài)調(diào)節(jié)性能，系統(tǒng)只使用在完成一項任務前提下盡可能少的能量，從而使得32位架構能夠在一個相當廣泛的對功耗敏感應用范圍內(nèi)得到使用。