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(guò)連續一代又一代處理器內核的發(fā)布得到了實(shí)現，每一代新的處理器內核都會(huì )引入新的流水線(xiàn)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(dòng)產(chǎn)品的誕生，并且推動(dòng)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(xiàn)的設計要求也各有不同，某些低端系統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(lái)支持。同時(shí)，每一個(gè)目標市場(chǎng)還需要一種指令集流水線(xiàn)之外的處理器設計方法；因為每一個(gè)細分市場(chǎng)都有其自身所關(guān)心的問(wèn)題，這對處理器內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(wèn)題的方法是最大限度地增加用戶(hù)選擇，使得設計團隊可以根據各自應用的需求找到合適的產(chǎn)品。ARM的Cortex架構將多個(gè)為特定系統所設計的處理器內核結合起來(lái)，在這些系統中包括了一些在必要時(shí)可以被采用以構建最終系統的通用基礎結構IP。Cortex并不僅僅是一個(gè)處理器內核系列，它其實(shí)是一個(gè)智能計算機架構系列，同SoC技術(shù)一起為每一個(gè)目標市場(chǎng)提供最合適的設計開(kāi)發(fā)方法。
　　ARM Cortex處理器架構包括三個(gè)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(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(zhù)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(lái)越熱門(mén)的消費娛樂(lè )和無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品設計的。這些產(chǎn)品運行著(zhù)復雜的操作系統，并實(shí)現了復雜的用戶(hù)界面。ARM Cortex-A配置了最新的低功耗計算機架構方面的先進(jìn)技術(shù)，為推動(dòng)下一代高端應用提供了所需的動(dòng)力。
　　許多應用領(lǐng)域中的高級嵌入式系統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(guò)多的能量和內存。游戲機、媒體網(wǎng)關(guān)和高端網(wǎng)絡(luò )路由器對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)向司機提供導航助理，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 )化系統的一個(gè)組成部分。
　　像Linux和Windows CE這些高級內存管理操作系統內，對復雜的應用執行環(huán)境的管理支持是必需的；對于高端網(wǎng)絡(luò )路由器、高級機頂盒和其他應用而言，執行吞吐量是至關(guān)重要的。ARM Cortex-A系列處理器，在提供內存帶寬和流水線(xiàn)性能的同時(shí)，還提供了對內存管理和其他先進(jìn)的操作系統功能的完全支持。
　　同時(shí)，ARM Cortex-A系列中的所有處理器都配置了TrustZone技術(shù)，以向消費電子及移動(dòng)通信系統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機制，除非對硬件本身進(jìn)行替換。TrustZone技術(shù)保護了片內和片外內存以及外設不受軟件的攻擊。由于系統的安全要素被設計進(jìn)了內核硬件中，安全性能就被帶到了每一件設備的心臟內，成為其固有的特性。
　　TrustZone技術(shù)對安全的代碼和數據在系統內進(jìn)行標簽和分割，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據能夠在操作系統中安全地、高效地運作，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核很快就會(huì )需要跟現在高性能、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(jià)于現在中等性能的應用處理器，但是更專(zhuān)注于系統實(shí)時(shí)響應的需要。
　　優(yōu)秀的流水線(xiàn)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(shí)時(shí)應用領(lǐng)域。舉例來(lái)說(shuō)，汽車(chē)電子設計中將更多地使用高性能的節點(diǎn)設備來(lái)協(xié)調眾多的電子系統，提供更多先進(jìn)的安全功能，比如雷達跟蹤系統等。
　　在家庭中，網(wǎng)關(guān)系統和機頂盒將需要能夠對傳輸的媒體流進(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 )。為了驅動(dòng)這些系統，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)對完整的ARM及Thumb-2指令集的支持，實(shí)現了對以前的ARM處理器的完全向后兼容。

　　滲透成本敏感型市場(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位微處理器結構上為添加更多功能而煩惱的用戶(hù)提供了一個(gè)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(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告給服務(wù)公司，以幫助他們確認這些機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)的空調系統能夠通過(guò)軟件來(lái)更方便地控制每一間房間的溫度；等等。
　　目前，許多設計都使用8位和16位微處理器架構。然而，大部分這類(lèi)架構很難處理多任務(wù)，或超過(guò)64kB的線(xiàn)性代碼長(cháng)度。要想建立更多代碼和內存空間的應用機制，需要復雜的內存分頁(yè)或者分段配置。這時(shí)候使用一個(gè)真正的32位架構會(huì )更有效率，從而使得大型的微處理器應用程序開(kāi)發(fā)成為可能。
　　與現有的高級微處理器類(lèi)似，ARM Cortex-M提供了一個(gè)硬件向量中斷控制器，來(lái)確保外設中斷能夠得到最及時(shí)的處理。在Thumb-2指令集內還增加了幾條指令，以支持在最小的空間內完成實(shí)時(shí)控制。
　　Cortex-M系列是為現有8位和16位微處理器架構用戶(hù)所設計的，關(guān)心的焦點(diǎn)是最高的可能代碼密度和最低的系統成本。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)了的內核設計，但同時(shí)仍通過(guò)對Thumb-2的支持保持了對整個(gè)ARM Cortex系列的兼容性。

　　智能功率管理
　　對于A(yíng)RM Cortex系列成員而言，AXI接口的使用使對電壓和頻率進(jìn)行微調成為可能，使得設計者能夠根據散熱或電池壽命指標來(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響應來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)對性能的要求。IEM技術(shù)與操作系統及應用程序一起工作，通過(guò)一個(gè)標準程序接口來(lái)根據需要動(dòng)態(tài)地調節處理器性能水平。
　　通過(guò)動(dòng)態(tài)調節性能，系統只使用在完成一項任務(wù)前提下盡可能少的能量，從而使得32位架構能夠在一個(gè)相當廣泛的對功耗敏感應用范圍內得到使用。