新一代RISC微處理器ARM11的特點(diǎn)技術(shù)

ARM11系列微處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它是ARM新指令架構(gòu)——ARMv6的第一代設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

該系列主要有ARM1136J,ARM1156T2和ARM1176JZ三個(gè)內(nèi)核型號(hào)，分別針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域。

本文將對(duì)全新的ARMv6架構(gòu)進(jìn)行介紹，并深入分析ARM11處理器的先進(jìn)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。

ARMv6結(jié)構(gòu)體系

實(shí)現(xiàn)新一代微處理器的第一步就是訂立一個(gè)新的結(jié)構(gòu)體系。這里所說(shuō)的結(jié)構(gòu)體系只是對(duì)處理器行為進(jìn)行描述，并不包括具體地指定處理器是如何被建造的。結(jié)構(gòu)體系的定義提供了處理器和外界(操作系統(tǒng),應(yīng)用程序和調(diào)試支持)的接口，從細(xì)節(jié)上說(shuō)，處理器結(jié)構(gòu)體系定義了指令集、編程模式和最近的存儲(chǔ)器之間的接口。

最新的ARM處理器架構(gòu)—ARMv6，發(fā)布于2001年10月，它建立于過(guò)去十年ARM許多成功的結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上。同處理器的授權(quán)相似，ARM也向客戶授權(quán)它的結(jié)構(gòu)體系。比如，Intel的XScale就是基于ARMv5TE的處理器。本文也會(huì)就ARM11和Intel XScale的特點(diǎn)作一比較。

目標(biāo)應(yīng)用

ARMv6架構(gòu)是根據(jù)下一代的消費(fèi)類電子、無(wú)線設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和汽車電子產(chǎn)品等需求而制定的。ARM11的媒體處理能力和低功耗特點(diǎn)，特別適用于無(wú)線和消費(fèi)類電子產(chǎn)品;其高數(shù)據(jù)吞吐量和高性能的結(jié)合非常適合網(wǎng)絡(luò)處理應(yīng)用;另外，也在實(shí)時(shí)性能和浮點(diǎn)處理等方面ARM11可以滿足汽車電子應(yīng)用的需求?？梢灶A(yù)言，基于AMRv6體系結(jié)構(gòu)的ARM11系列處理器將在上述領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

主要特點(diǎn)

對(duì)于各種無(wú)線移動(dòng)應(yīng)用，毫無(wú)節(jié)制的提供高性能處理器是無(wú)用的。同成本控制類似，功耗的控制也是一個(gè)重要因素。

ARM11系列處理器展示了在性能上的巨大提升，首先推出350M~500MHz時(shí)鐘頻率的內(nèi)核，在未來(lái)將上升到1GHz時(shí)鐘頻率(如圖2)。

ARM11處理器在提供高性能的同時(shí)，也允許在性能和功耗間做權(quán)衡以滿足某些特殊應(yīng)用。通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)鐘頻率和供應(yīng)電壓，開(kāi)發(fā)者完全可以控制這兩者的平衡。在0.13um工藝，1.2v條件下，ARM11處理器的功耗可以低至0.4mW/MHz。

ARM11處理器同時(shí)提供了可綜合版本和半定制硬核兩種實(shí)現(xiàn)?？删C合版本可以讓客戶根據(jù)自己的半導(dǎo)體工藝開(kāi)發(fā)出各有特色的處理器內(nèi)核，并保持足夠靈活性。ARM實(shí)現(xiàn)的硬核則是為了滿足那些極高性能和速度要求的應(yīng)用，同時(shí)為客戶節(jié)省實(shí)現(xiàn)的成本和時(shí)間。

為了讓客戶更方便地走完實(shí)現(xiàn)流程，ARM11處理器采用了易于綜合的流水線結(jié)構(gòu)，并和常用的綜合工具以及RAM compiler良好結(jié)合，確保了客戶可以成功并迅速的達(dá)到時(shí)序收斂。目前已有的ARM11處理器在不包含Cache的情況下面積小于2.7mm2，對(duì)于當(dāng)前復(fù)雜的SoC設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，如此小的die size對(duì)芯片成本的降低是極其重要的。ARM11處理器在很多方面為軟件開(kāi)發(fā)者帶來(lái)便利。一方面，它包含了更多的多媒體處理指令來(lái)加速視頻和音頻處理;另一方面，它的新型存儲(chǔ)器系統(tǒng)進(jìn)一步提高了操作系統(tǒng)的性能;此外，還提供了新指令來(lái)加速實(shí)時(shí)性能和中斷的響應(yīng)。

再次，目前有很多應(yīng)用要求多處理器的配置(多個(gè)ARM內(nèi)核，或ARM+DSP的組合)，ARM11處理器從設(shè)計(jì)伊始就注重更容易地與其他處理器共享數(shù)據(jù)，以及從非ARM的處理器上移植軟件。此外，ARM還開(kāi)發(fā)了基于ARM11系列的多處理器系統(tǒng)——MPCORE(由二個(gè)到四個(gè)ARM11 內(nèi)核組成)。

優(yōu)秀的性能

ARM11處理器的超強(qiáng)性能是由一系列的架構(gòu)特點(diǎn)所決定的。ARMv6—決定性能的基礎(chǔ)ARMv6架構(gòu)決定了可以達(dá)到高性能處理器的基礎(chǔ)。

總的來(lái)說(shuō)，ARMv6架構(gòu)通過(guò)以下幾點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)處理器的性能：

•多媒體處理擴(kuò)展

使MPEG4編碼/解碼加快一倍

音頻處理加快一倍

•增強(qiáng)的Cache結(jié)構(gòu)

實(shí)地址Cache

減少Cache的刷新和重載

減少上下文切換的開(kāi)銷

•增強(qiáng)的異常和中斷處理

使實(shí)時(shí)任務(wù)的處理更加迅速= 支持Unaligned和Mixed-endian數(shù)據(jù)訪問(wèn)

使數(shù)據(jù)共享、軟件移植更簡(jiǎn)單，也有利于節(jié)省存儲(chǔ)器空間

對(duì)絕大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，ARMv6保持了100%的二進(jìn)制向下兼容，使用戶過(guò)去開(kāi)發(fā)的程序可以進(jìn)一步繼承下去。ARMv6 保持了所有過(guò)去架構(gòu)中的T(Thumb指令)和E(DSP指令)擴(kuò)展，使代碼壓縮和DSP處理特點(diǎn)得到延續(xù);為了加速Java代碼執(zhí)行速度的ARM Jazalle技術(shù)也繼續(xù)在ARMv6架構(gòu)中發(fā)揮重要作用。

ARM11處理器的內(nèi)核特點(diǎn)

ARM11處理器是為了有效的提供高性能處理能力而設(shè)計(jì)的。在這里需要強(qiáng)調(diào)的是，ARM并不是不能設(shè)計(jì)出運(yùn)行在更高頻率的處理器，而是，在處理器能提供超高性能的同時(shí)，還要保證功耗、面積的有效性。ARM11優(yōu)秀的流水線設(shè)計(jì)是這些功能的重要保證。