|
RISC家族之ARM處理器 ARM公司于1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術智能財產(IP)核心的處理器，即我們通常所說的ARM 處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基于ARM技術的處理器應用約占據了32位RISC微處理器 75%以上的市場，ARM技術不止逐步滲入到我們生活的各個方面，我們甚至可以說，ARM于人類的生活環境中，已經是不可或缺的一環。 目前市面上常見的ARM處理器架構，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進行開發驗證，市面上還未有相關產品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構的廠商。 ARM首個多核心架構為ARM11 MPCore，架構于原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發布于2002年10月份，為了進一步提升效能，其管線長度擴展到8階，處理單元則增加為預取、譯碼、發送、轉換 /MAC1、執行/MAC2、內存存取/MAC3和寫入等八個單元，體系上屬于ARM V6指令集架構。ARM11采用當時最先進的0.13μm制造制程，運行頻率最高可達500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作頻率能夠輕松達到1GHz以上—對于嵌入式處理器來說，這顯然是個相當驚人的程度，不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個均衡的設定，因此幾乎沒有廠商推出達到1GHz的ARM11架構處理器。 ARM11的邏輯核心也經過大量的改進，其中最重要的當屬“靜/動態組合轉換的預測功能”。ARM11的執行單元包含一個64位、4種狀態的地址轉換緩沖，它主要用來儲存最近使用過的轉換地址。當采用動態轉換預測機制而無法在尋址緩沖內找到正確的地址時，靜態轉換預測功能就會立刻接替它的位置。在實際測試中，單純采用動態預測的準確率為88%，單純采用靜態預測機制的準確率 只有77%，而ARM11的靜/動態預測組合機制可實現92%的高準確率。針對高時脈速度帶來功耗增加的問題，ARM11采用一項名為“IEM (Intelligent Energy Manager)”的智能電源管理技術，該技術可根據任務負荷情況動態調節處理器的電壓，進而有效降低自身的功耗。這一系列改進讓ARM11的功耗效能比得以繼續提高，平均每MHz只需消耗0.6mW(有快取時為0.8mW)的電力，處理器的最高效能可達到660 Dhrystone MIPS，遠超過上一代產品。 至于ARM11 MPCore，其在架構上與ARM11同樣屬于V6指令體系。根據不同應用的需要，MPCore可以被配置為1-4個處理器的組合方式，根據官方資料，其最高性能約可達到2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是標準的同質多核心處理器，組成MPCore的是4個基于ARM11架構的處理器核心，由于多核心設計的優點是在頻率不變的情況下讓處理器的性能獲得明顯提升，因此可望在多任務應用中擁有良好的表現，這一點很適合未來家庭消費電子的需要。例如，機頂盒在錄制多個頻道電視節目的同時，還可通過互聯網收看數字視頻點播節目、車內導航系統在提供導航功能的同時，仍然有余力可以向后座乘客播放各類視頻碼流等。 RISC家族之ARC架構 與其它RISC處理器技術相較起來，ARC的可調整式(Configurable)架構，為其在變化多端的芯片應用領域中爭得一席之地。其可調整式架構主要著眼于不同的應用，需要有不同的功能表現，固定式的芯片架構或許可以面面俱到，但是在將其設計進入產品之后，某些部分的功能可能完全沒有使用到的機會，即使沒有使用，開發商仍需支付這些〝多余〞部分的成本，形成了浪費。 由于制程技術的進步，芯片體積的微縮化，讓半導體廠商可以利用相同尺寸的晶圓切割出更多芯片，通過標準化，則是有助于降低芯片設計流程，單一通用IP所設計出來的處理器即可應用于各種用途，不需要另辟產能來生產特定型號或功能的產品，大量生產也有助于降低單一芯片的成本，而這也是目前嵌入式處理器的共通現象。 在ARC的設計概念中，是追求單一芯片成本的最小化，量體裁衣，這需要在設計階段依靠特定EDA軟件才能做到。 ARC近期也推出了基于700系列的多媒體應用加速處理器，其中整合了ARC 700通用處理核心，以及高速SIMD處理單元，可以在低時鐘下輕松進行諸如藍光光盤的H。264編譯碼處理，此架構稱為VideoSubsystem，基本上該應用處理器就可以擔任通用運算工作，不過也可以與其它諸如ARM或MIPS體系進行連結，以滿足應用程序的兼容性與影音數據流的加速。 RISC家族之Tensilica架構 Tensilica公司的 Xtensa 處理器是一個可以自由配置、可以彈性擴張，并可以自動合成的處理器核心。Xtensa 是第一個專為嵌入式單芯片系統而設計的微處理器。為了讓系統設計工程師能夠彈性規劃、執行單芯片系統的各種應用功能，Xtensa 在研發初期就已鎖定成一個可以自由裝組的架構，因此我們也將其架構定義為可調式設計。 Tensilica公司的主力產品線為Xtensa，該產品可讓系統設計工程師可以挑選所需的單元架構，再加上自創的新指令與硬件執行單元，就可以設計出比其它傳統方式強大數倍的處理器核心。Xtensa 生產器可以針對每一個處理器的特殊組合，自動有效地產生出一套包括操作系統，完善周全的軟件工具。 Xtensa為一32位處理器，該結構特色是有一套專門為嵌入式系統設計、精簡且效能表現不錯的16與24位指令集。其基本結構擁有80個 RISC 指令，其中包括32位 ALU，6個管理特殊功能的緩存器，32或64個普通功能32位緩存器。這些32位緩存器都設有加速運行功能的信道。Xtensa 處理器的指令相當精簡，系統設計師可以以此縮減程序代碼的長度，從而提高指令的密集度并降低功耗。相對于高合成的單芯片系統ASIC而言，能達到有效減低成本。Xtensa 的指令集構架包括有效的分支指令，例如：經合成的比較 - 分歧循環、零開銷循環和二進制處理，包括漏斗切換和字段抽段操作等。浮點運算單元與向量 DSP 單元是 Xtensa 結構上兩個可以加選的處理單元，可以加強在特定應用的效能表現。 RISC家族之MIPS處理器 MIPS是美國歷史悠久的RISC處理器體系，其架構的設計，也如美國人的性格一般，相當的大氣且理想化。MIPS架構起源，可追溯到1980年代，斯坦福大學和伯克利大學同時開始RISC架構處理器的研究。 MIPS公司成立于1984年，隨后在 1986年推出第一款R2000處理器，在1992年時被SGI所并購，但隨著MIPS架構在桌面市場的失守，后來在1998年脫離了SGI，成為MIPS技術公司，并且在1999年重新制定 公司策略，將市場目標導向嵌入式系統，并且統一旗下處理器架構，區分為32-bit以及64-bit兩大家族，以技術授權成為主要營利模式。 MIPS除了在手機中應用得比例極小外，其在一般數字消費性、網絡語音、個人娛樂、通訊、與商務應用市場有著相當不錯的成績，不過近年來因為其它IP授權公司的興起，其占有比率稍有衰退。MIPS應用最為廣泛的應屬家庭視聽電器(包含機頂盒)、網通產品以及汽車電子方面。 對于MIPS，其核心技術強調的是多執行緒處理能力(Multiple issue，國內也通常稱作多發射核技術，以下以此稱謂)。一般來說，多核心與多發射是兩個并不是互斥的體系，可以彼此結合，然而在嵌入式領域，ARM與MIPS這兩大處理器IP廠商對這兩個架構的態度不同，造成這兩個架構在嵌入式市場上對抗的結果。 MIPS的多發射體系為MIPS34K系列，此為32位架構處理器，從架構上來看，其實多發射核技術只是為了盡量避免處理單元閑置浪費而為的折衷手段，就是將處理器中的閑置處理單元，分割出來虛擬為另一個核心，以提高處理單元的利用率。在技術上，為了實現硬件多重處理，多核心與多發射兩者對于軟件最佳化的復雜度方面同樣都比單核心架構來得復雜許多。 34K核心能執行現有的對稱式二路SMP操作系統(OSes)與應用軟件，通過操作系統的主動管理，現有的應用軟件也能善用多發射處理能力。它亦能應用在多個執行線程各自有不同角色的(AMP或非對稱式多重處理)環境下。此外，34K核心能設定一或兩個虛擬處理組件(VPE)以及多至5個線程內容(Thread Content)，提供相當高的設計彈性。MIPS的多發射在任務切換時，有多余的硬件緩存器可以記錄執行狀態，避免切換任務時，因為必須重新加載指令，或者是重新執行某部分的工作，造成整個執行線程的延遲。不過即便能夠達到同時執行多個任務的能力，多發射處理器本質上仍然是單核心處理器，在單一執行緒面臨高負載時，其它執行緒的處理時間就有可能會被壓縮，甚至被暫停。而不同執行緒在執行的過程中，諸如內存鎖定、解鎖以及同步等處理過程在多發射體系上也會發生，因此在極端情況下，多發射的性能是明顯比不上原生多核心架構的(以兩個執行緒對兩個核心的比較而言)。 不過多發射體系的優點在于硬件效率高，理論上功耗也能有效降低。部分IC設計公司也推出了基于MIPS架構的平行架構多核心，形成兼具多核與多發射的應用架構，相信在未來這種體系將會納入MIPS的原生架構當中，以應付更復雜的應用。 CISC家族之VIA架構 目前仍存活的X86處理器廠商，除了身為世界第一大半導體廠的Intel以外，其余兩家都活的相當辛苦，尤其以臺灣的VIA(威盛)為最，該公司在處理器產品線的經營上，向來遭受大廠的打壓， VIA過去所推出的一系列低功耗處理器，雖然效能偏低，但是其功耗控制能力非常優秀，遠遠超過Intel以及AMD這兩家CPU大廠，如今世界潮流逐漸從效能取向走往綠色環保取向，VIA終于也是媳婦熬成婆，除了在一般低價PC獲得滿堂彩以外，在UMPC以及嵌入式系統方面，也都能提供相當優秀的解決方案。 VIA 的主流產品線為C7-M處理器，該款處理器共分兩個型號——普通版本及Ultra Low Voltage版本，C7-M普通版本型號擁有1.5GHz/400MHz FSB、1.6GHz/533MHz FSB、1.867GHz/533MHz FSB及最高速度的2GHz/533MHz FSB，電壓由1.004V至1.148V，最高功耗由12W至20W，在P-State模式下電壓會下調至0.844V，而功耗則只有5W。 Ultra Low Voltage版本的C7-M處理器，擁有1GHz/400MHz FSB、1.2GHz/400MHz FSB及1.5GHz/400MHz FSB，ULV版本工作電壓只需要0.908V至0.956V，最高功耗由5W至7W左右。而ULV之中還會有一個Super ULV的C7-M 1GHz，型號為C7-M ULV 779，工作電壓可低至0.796V，最高功耗僅有3.5W。由于這些特點，使其在低價計算機、嵌入式應用領域中，成為不能忽視的第三勢力。 CISC家族之AMD架構 AMD是在主流市場上，唯一能與Inte抗衡的X86處理器廠商，然而在購并ATI之后，其表現只能算差強人意，以目前所規劃的主流產品線而言(包含CPU與GPU)，其實都是處于挨打的狀態。畢竟AMD具有業界最佳的技術均衡性，既有先進的處理器技術，又是GPU技術第二領導者，兼以效能表現相當優秀的主機板芯片產品，以及自有的晶圓廠，雖不及Intel霸氣，仍然占有很大市場份額。 在嵌入式應用方面，其實過去AMD有向MIPS授權其IP，開發出Alchemy產品線，算是直接向Intel過去的ARM架構Xscale直接叫陣的一款產品，然而此產品并未擄獲市場眼光，在應用上一向偏弱勢，后來AMD也將之擺脫，開始利用自己的X86處理器來經營嵌入式應用領域。 AMD在嵌入式X86處理器方面的產品線為Geode，基本上這是一款整合度相當高的SoC產品，但是速度偏低，效能表現不佳，功能也未能比VIA的產品出色，定位相當尷尬。針對移動平臺開發的X86處理核心，代號為“Botcat”，不過目前信息還不完備，因此只能從時間點推論，該處理器將有可能使用簡化降頻版的K8核心，但推出時間在今年，明顯比對手晚了許多，若要整合K10核心，可能就要等到2009年 之后。 不過AMD購并ATI之后，得以將Fusion的概念帶給消費者，Fusion算是身兼AMD與ATI二者之長，具備了先進的處理器核心、高效能的繪圖核心，以及I/O控制能力，從低功耗的嵌入式應用，到高功耗的效能級產品，都是Fusion的產品守備范圍內，但Fusion最早要到2009年才會進入市場。 |
