嵌入式POS機(jī)的基礎(chǔ)－－ARM體系架構(gòu)

在嵌入式領(lǐng)域，ARM（全稱Advanced RISC Machines）的名字可謂是無(wú)人不知，在32位市場(chǎng)，ARM架構(gòu)的產(chǎn)品占據(jù)高達(dá)75％的市場(chǎng)份額，居于壟斷地位。該架構(gòu)的專利持有者就是ARM公司。ARM成立于1990年，它實(shí)際上是Arcon、Apple和VLSI三家企業(yè)共同合作的產(chǎn)物。當(dāng)年，Acron公司需要為它們的Archimedus電腦開發(fā)一枚處理器，Apple公司同樣尋求一款可以代替摩托羅拉68000 CISC處理器的RISC架構(gòu)產(chǎn)品，而VLSI則打算設(shè)計(jì)出一枚精簡(jiǎn)高效的RISC處理器用于集成系統(tǒng)中。頗富戲劇性的是，這三家企業(yè)最終都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自己的目的，但ARM架構(gòu)卻在它們未曾想到的嵌入式領(lǐng)域被發(fā)揚(yáng)光大。
ARM體系架構(gòu)－ARM的發(fā)展歷程與產(chǎn)品特色
與Intel、AMD等集設(shè)計(jì)、制造、銷售于一體化的半導(dǎo)體企業(yè)不同，ARM從未涉及芯片制造和銷售業(yè)務(wù)，公司創(chuàng)立以來(lái)一直都是以IP（Intelligence Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán)）提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售芯片研發(fā)的成果，各大半導(dǎo)體廠商購(gòu)買IP內(nèi)核授權(quán)之后便可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，然后制造出產(chǎn)品并將其推向市場(chǎng)。這種策略讓ARM實(shí)現(xiàn)專業(yè)化的同時(shí)也造就了一個(gè)龐大的ARM王國(guó)。ARM架構(gòu)的CPU核心具有低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點(diǎn)，獲得許多半導(dǎo)體企業(yè)的大力支持。生產(chǎn)ARM架構(gòu)嵌入式處理器的大企業(yè)超過(guò)70家，每一家企業(yè)都有自己的一套方案，再加上其他廠商開發(fā)的衍生產(chǎn)品，使得ARM架構(gòu)最終在32位嵌入式市場(chǎng)遍地開花，應(yīng)用極其廣泛。
在ARM的內(nèi)核大家族中，ARM7、ARM9、ARM10和ARM11的影響力最大，相繼被包括Intel、德州儀器（TI）、高通、摩托羅拉、Atmel在內(nèi)的重量級(jí)半導(dǎo)體企業(yè)所采用。到目前為止，全球80%的GSM/3G手機(jī)、99%的CDMA手機(jī)以及絕大多數(shù)PDA產(chǎn)品均采用ARM體系的嵌入式處理器。
ARM領(lǐng)先的低能耗特性可以說(shuō)占了頭功。當(dāng)初剛剛起步的嵌入式應(yīng)用對(duì)運(yùn)算性能并不苛求，但對(duì)芯片的功耗卻相當(dāng)敏感。而相對(duì)同時(shí)期的其他解決方案， ARM架構(gòu)的能效比優(yōu)勢(shì)非常明顯：325MHz頻率的ARM1020E處理器雖然絕對(duì)性能最低，但在消耗相等電能的前提下，它所擁有的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越IBM的PowerPC 750、摩托羅拉MPC7455（蘋果的G4＋處理器）、PowerPC7400（蘋果G4處理器）以及NEC的VR5500處理器，能效比極其出眾。
再者，ARM架構(gòu)的應(yīng)用方案非常靈活，由于ARM公司只是提供了一個(gè)高效精簡(jiǎn)的核心，各半導(dǎo)體廠商可根據(jù)自身需求進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，架構(gòu)靈活簡(jiǎn)便、擴(kuò)展力很強(qiáng)。如廠商可為多媒體信號(hào)處理加入相關(guān)的指令集，或?yàn)镴ava相關(guān)的應(yīng)用加入高效執(zhí)行單元，或增加3D圖形協(xié)處理器等等。高度可擴(kuò)展性也讓ARM出現(xiàn)了許多衍生架構(gòu)，如流行在PDA領(lǐng)域的Dargonball、StrongARM和XScale架構(gòu)也都屬于ARM體系。得到大量軟件支持是ARM具有決定性影響的第三個(gè)優(yōu)勢(shì)，包括Windows CE、Symbian和Palm OS在內(nèi)的三種主要常用系統(tǒng)都是基于ARM架構(gòu)所設(shè)計(jì)，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的掌上設(shè)備雖然還不是很多見，但它同樣是基于ARM。目前，ARM已經(jīng)牢牢占領(lǐng)手機(jī)、PDA以及其他的掌上電子產(chǎn)品市場(chǎng)，這些領(lǐng)域都非常注重軟件兼容和設(shè)計(jì)延續(xù)性，ARM繼續(xù)保持貫有優(yōu)勢(shì)沒(méi)有任何懸念。也許有很多其他的嵌入式處理器擁有更卓越的性能，但這并非廠商要考慮的唯一要素，事實(shí)上，精簡(jiǎn)的硬件核心、超低能耗、設(shè)計(jì)靈活、軟件支持和豐富的開發(fā)工具，這些都是ARM架構(gòu)賴以成功的技術(shù)基礎(chǔ)。
ARM體系架構(gòu)－ARM核心設(shè)計(jì)的演進(jìn)
縱觀ARM的發(fā)展歷史，技術(shù)創(chuàng)新和工藝進(jìn)步成為兩大推動(dòng)力，這一點(diǎn)在ARM7核心到ARM11核心的發(fā)展歷程中獲得良好體現(xiàn)。ARM7只擁有一個(gè)包含“預(yù)取（Fetch）、解碼（Decode）和執(zhí)行（Execute）”單元的簡(jiǎn)單三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，在采用0.18微米工藝時(shí)核心面積小于0.8平方毫米（不同型號(hào)的ARM7，核心面積也各不相同），其時(shí)鐘頻率在50MHz到110MHz之間，每MHz所對(duì)應(yīng)的運(yùn)算能力為0.9 Dhrystone MIPS（Dhrystone：綜合性的基準(zhǔn)測(cè)試程序，測(cè)試處理器的整數(shù)性能；MIPS：每秒百萬(wàn)條指令），最多消耗0.4毫瓦電力。后來(lái)的ARM9核心將流水線增加到五級(jí)，新增了內(nèi)存訪問(wèn)（Memory）和寫入（Write）兩個(gè)單元—處理器流水線增長(zhǎng)有利于提高工作頻率，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)指令執(zhí)行效能下降的問(wèn)題。ARM9核心的最高頻率提升到220MHz級(jí)別，比ARM7系列整整高了一倍之多。同時(shí)ARM9的指令性能也高于ARM7，達(dá)到每MHz頻率1.05到1.1MIPS的水平，這應(yīng)該歸功于AMR9在周邊設(shè)計(jì)方面的多方位改進(jìn)。高頻率加上高指令效能，令A(yù)RM9核心獲得了非常明顯的性能提升，這也是它受到業(yè)界廣泛追捧的主要原因。但由于晶體管數(shù)量有些增加，ARM9內(nèi)核的芯片面積也小幅提升至1.1平方毫米，功耗范圍在每赫茲0.85到1毫瓦之間。
到了ARM10核心，流水線長(zhǎng)度進(jìn)一步增加到六級(jí)，它在預(yù)取和解碼單元之間加入了一個(gè)“發(fā)送（Issue）”單元，再加上引入0.15微米制造工藝，使得ARM10的最高頻率突破400MHz。ARM10采用更先進(jìn)的V5T指令集（之前所有的ARM7、多數(shù)ARM9為V4T版本），并對(duì)邏輯架構(gòu)作了很大程度的優(yōu)化（如利用一個(gè)返回堆棧減少子程序返回時(shí)的等待時(shí)間），大幅度提高了執(zhí)行效率，最終它的指令執(zhí)行效能反而提升到每MHz頻率1.24 Dhrystone MIPS。猛增的工作頻率加上較高的指令效能，ARM10的整體性能再次獲得大幅度提升。不過(guò)，ARM10的晶體管數(shù)量同時(shí)也增加了很多，幸好在0.15微米工藝的幫助下，它的核心面積成功控制在10平方毫米的水平（帶64KB緩存），功耗水準(zhǔn)保持在每赫茲0.85毫瓦，能效比與前一代的ARM9基本持平，整體表現(xiàn)相當(dāng)出眾，獲得廣泛應(yīng)用不成問(wèn)題。
ARM11核心發(fā)布于2002年10月份，為了滿足PDA對(duì)性能日益苛刻的要求，ARM公司將其流水線長(zhǎng)度擴(kuò)展到8條，分別為預(yù)取、解碼、發(fā)送、轉(zhuǎn)換/MAC1、執(zhí)行/MAC2、內(nèi)存訪問(wèn)/MAC3和寫入等八個(gè)單元，屬于ARM V6指令集架構(gòu)。ARM11采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的0.13微米制造工藝，運(yùn)行頻率最高可達(dá)500到700MHz。如果采用90納米工藝，ARM11核心的工作頻率將輕松達(dá)到1GHz—對(duì)于嵌入式處理器來(lái)說(shuō)，這顯然是個(gè)相當(dāng)驚人的數(shù)字。其次，ARM11的邏輯核心也經(jīng)過(guò)大量的改進(jìn)，其中最重要的當(dāng)屬“靜/動(dòng)態(tài)組合轉(zhuǎn)換的預(yù)測(cè)功能”。ARM11的執(zhí)行單元包含一個(gè)64位、4種狀態(tài)的地址轉(zhuǎn)換緩沖，它主要用來(lái)存儲(chǔ)最近使用過(guò)的轉(zhuǎn)換位址。當(dāng)采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測(cè)機(jī)制而無(wú)法在地址緩沖內(nèi)找到正確的地址時(shí)，靜態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測(cè)功能就會(huì)立刻接替它的位置。在實(shí)際測(cè)試中，單純采用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為88%，單純采用靜態(tài)預(yù)測(cè)機(jī)制的準(zhǔn)確率只有77%，而ARM11的靜/動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)組合機(jī)制可實(shí)現(xiàn)92%的高準(zhǔn)確率。針對(duì)高速度帶來(lái)能耗增加的問(wèn)題，ARM11引入一項(xiàng)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(fù)荷情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)處理器的電壓，進(jìn)而有效降低自身的功耗。這一系列改進(jìn)讓ARM11的能效比得以繼續(xù)提高，平均每赫茲頻率只需消耗0.6毫瓦（有緩存時(shí)為0.8毫瓦）的電力，處理器的最高效能可達(dá)到660 Dhrystone MIPS，遠(yuǎn)超過(guò)上一代產(chǎn)品。
擴(kuò)展功能方面ARM11也大有增強(qiáng)，如支持單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）指令，可以讓那些采用特定算法的應(yīng)用程序獲得二到三倍的高效執(zhí)行。支持JAVA解碼功能，在運(yùn)行Java程序時(shí)效率極佳，這對(duì)于手機(jī)、PDA等Java程序流行的平臺(tái)來(lái)說(shuō)具有相當(dāng)積極的意義。再者，ARM11可以同“協(xié)處理器”配合，完成一些指定的任務(wù)，這也讓它可以適應(yīng)更多的應(yīng)用場(chǎng)合。另外，ARM11支持“TrustZone”安全技術(shù)，該技術(shù)可識(shí)別出系統(tǒng)的安全碼和數(shù)據(jù)，并保證它們?cè)诓僮飨到y(tǒng)中得到安全、有效地同時(shí)運(yùn)行，可防范病毒和惡意代碼的攻擊，同時(shí)也不需犧牲任何系統(tǒng)性能，相信這對(duì)于機(jī)頂盒、新一代智能電話、付款設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手機(jī)等注重信息安全的數(shù)字設(shè)備來(lái)說(shuō)有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。0次