嵌入式POS機的基礎(chǔ)－－ARM體系架構(gòu)

在嵌入式領(lǐng)域，ARM（全稱Advanced RISC Machines）的名字可謂是無人不知，在32位市場，ARM架構(gòu)的產(chǎn)品占據(jù)高達75％的市場份額，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)計出一枚精簡高效的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)最終都沒有實現(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、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)立以來一直都是以IP（Intelligence Property，知識產(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)體廠商購買IP內(nèi)核授權(quán)之后便可在此基礎(chǔ)上進行深化設(shè)計，然后制造出產(chǎn)品并將其推向市場。這種策略讓ARM實現(xiàn)專業(yè)化的同時也造就了一個龐大的ARM王國。ARM架構(gòu)的CPU核心具有低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點，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)的重量級半導(dǎo)體企業(yè)所采用。到目前為止，全球80%的GSM/3G手機、99%的CDMA手機以及絕大多數(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占了頭功。當(dāng)初剛剛起步的嵌入式應(yīng)用對運算性能并不苛求，但對芯片的功耗卻相當(dāng)敏感。而相對同時期的其他解決方案， ARM架構(gòu)的能效比優(yōu)勢非常明顯：325MHz頻率的ARM1020E處理器雖然絕對性能最低，但在消耗相等電能的前提下，它所擁有的性能遠遠超越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高效精簡的核心，各半導(dǎo)體廠商可根據(jù)自身需求進行應(yīng)用設(shè)計，架構(gòu)靈活簡便、擴展力很強。如廠商可為多媒體信號處理加入相關(guān)的指令集，或為Java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優(yōu)勢，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，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、PDA以及其他的掌上電子產(chǎn)品市場，這些領(lǐng)域都非常注重軟件兼容和設(shè)計延續(xù)性，ARM繼續(xù)保持貫有優(yōu)勢沒有任何懸念。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，事實上，精簡的硬件核心、超低能耗、設(shè)計靈活、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)計的演進
縱觀ARM的發(fā)展歷史，技術(shù)創(chuàng)新和工藝進步成為兩大推動力，這一點在ARM7核心到ARM11核心的發(fā)展歷程中獲得良好體現(xiàn)。ARM7只擁有一個包含“預(yù)?。‵etch）、解碼（Decode）和執(zhí)行（Execute）”單元的簡單三級流水線結(jié)構(gòu)，在采用0.18微米工藝時核心面積小于0.8平方毫米（不同型號的ARM7，核心面積也各不相同），其時鐘頻率在50MHz到110MHz之間，每MHz所對應(yīng)的運算能力為0.9 Dhrystone MIPS（Dhrystone：綜合性的基準(zhǔn)測試程序，測試處理器的整數(shù)性能；MIPS：每秒百萬條指令），最多消耗0.4毫瓦電力。后來的ARM9核心將流水線增加到五級，新增了內(nèi)存訪問（Memory）和寫入（Write）兩個單元—處理器流水線增長有利于提高工作頻率，但同時會帶來指令執(zhí)行效能下降的問題。ARM9核心的最高頻率提升到220MHz級別，比ARM7系列整整高了一倍之多。同時ARM9的指令性能也高于ARM7，達到每MHz頻率1.05到1.1MIPS的水平，這應(yīng)該歸功于AMR9在周邊設(shè)計方面的多方位改進。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，流水線長度進一步增加到六級，它在預(yù)取和解碼單元之間加入了一個“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采用更先進的V5T指令集（之前所有的ARM7、多數(shù)ARM9為V4T版本），并對邏輯架構(gòu)作了很大程度的優(yōu)化（如利用一個返回堆棧減少子程序返回時的等待時間），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，ARM10的晶體管數(shù)量同時也增加了很多，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)用不成問題。
ARM11核心發(fā)布于2002年10月份，為了滿足PDA對性能日益苛刻的要求，ARM公司將其流水線長度擴展到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/MAC3和寫入等八個單元，屬于ARM V6指令集架構(gòu)。ARM11采用當(dāng)時最先進的0.13微米制造工藝，運行頻率最高可達500到700MHz。如果采用90納米工藝，ARM11核心的工作頻率將輕松達到1GHz—對于嵌入式處理器來說，這顯然是個相當(dāng)驚人的數(shù)字。其次，ARM11的邏輯核心也經(jīng)過大量的改進，其中最重要的當(dāng)屬“靜/動態(tài)組合轉(zhuǎn)換的預(yù)測功能”。ARM11的執(zhí)行單元包含一個64位、4種狀態(tài)的地址轉(zhuǎn)換緩沖，它主要用來存儲最近使用過的轉(zhuǎn)換位址。當(dāng)采用動態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測機制而無法在地址緩沖內(nèi)找到正確的地址時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測功能就會立刻接替它的位置。在實際測試中，單純采用動態(tài)預(yù)測的準(zhǔn)確率為88%，單純采用靜態(tài)預(yù)測機制的準(zhǔn)確率只有77%，而ARM11的靜/動態(tài)預(yù)測組合機制可實現(xiàn)92%的高準(zhǔn)確率。針對高速度帶來能耗增加的問題，ARM11引入一項名為“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)負荷情況動態(tài)調(diào)節(jié)處理器的電壓，進而有效降低自身的功耗。這一系列改進讓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（有緩存時為0.8毫瓦）的電力，處理器的最高效能可達到660 Dhrystone MIPS，遠超過上一代產(chǎn)品。
擴展功能方面ARM11也大有增強，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，在運行Java程序時效率極佳，這對于手機、PDA等Java程序流行的平臺來說具有相當(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)用場合。另外，ARM11支持“TrustZone”安全技術(shù)，該技術(shù)可識別出系統(tǒng)的安全碼和數(shù)據(jù)，并保證它們在操作系統(tǒng)中得到安全、有效地同時運行，可防范病毒和惡意代碼的攻擊，同時也不需犧牲任何系統(tǒng)性能，相信這對于機頂盒、新一代智能電話、付款設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、手機等注重信息安全的數(shù)字設(shè)備來說有很強的實用價值。0次