下一代32位架構(gòu)：在性能與功能之間尋求平衡

下一代32位架構(gòu)：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)通過連續(xù)一代又一代處理器內(nèi)核的發(fā)布得到了實現(xiàn)，每一代新的處理器內(nèi)核都會引入新的流水線設計、新的指令集以及新的高速緩存結(jié)構(gòu)。這促成了眾多創(chuàng)新移動產(chǎn)品的誕生，并且推動了ARM架構(gòu)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，指令流水線的設計要求也各有不同，某些低端系統(tǒng)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支持。同時，每一個目標市場還需要一種指令集流水線之外的處理器設計方法；因為每一個細分市場都有其自身所關(guān)心的問題，這對處理器內(nèi)核及其周邊基礎結(jié)構(gòu)的設計都有不同的要求。
　　ARM解決這一問題的方法是最大限度地增加用戶選擇，使得設計團隊可以根據(jù)各自應用的需求找到合適的產(chǎn)品。ARM的Cortex架構(gòu)將多個為特定系統(tǒng)所設計的處理器內(nèi)核結(jié)合起來，在這些系統(tǒng)中包括了一些在必要時可以被采用以構(gòu)建最終系統(tǒng)的通用基礎結(jié)構(gòu)IP。Cortex并不僅僅是一個處理器內(nèi)核系列，它其實是一個智能計算機架構(gòu)系列，同SoC技術(shù)一起為每一個目標市場提供最合適的設計開發(fā)方法。
　　ARM Cortex處理器架構(gòu)包括三個系列，A系列、R系列和M系列，分別針對不同應用的需要。這三個系列使得ARM能夠滿足嵌入式處理器領(lǐng)域不同的需求，它們有著一致的體系結(jié)構(gòu)以及基礎構(gòu)架，使得ARM合作伙伴能夠很方便地根據(jù)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系列是針對越來越熱門的消費娛樂和無線產(chǎn)品設計的。這些產(chǎn)品運行著復雜的操作系統(tǒng)，并實現(xiàn)了復雜的用戶界面。ARM Cortex-A配置了最新的低功耗計算機架構(gòu)方面的先進技術(shù)，為推動下一代高端應用提供了所需的動力。
　　許多應用領(lǐng)域中的高級嵌入式系統(tǒng)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多的能量和內(nèi)存。游戲機、媒體網(wǎng)關(guān)和高端網(wǎng)絡路由器對性能提出的要求都能夠通過Cortex-A系列得到滿足。在汽車電子領(lǐng)域，高速多媒體處理器用來向司機提供導航助理，向乘客提供高質(zhì)量的電視和音頻，同時通過GPRS和3G提供因特網(wǎng)聯(lián)接，作為信息娛樂化系統(tǒng)的一個組成部分。
　　像Linux和Windows CE這些高級內(nèi)存管理操作系統(tǒng)內(nèi)，對復雜的應用執(zhí)行環(huán)境的管理支持是必需的；對于高端網(wǎng)絡路由器、高級機頂盒和其他應用而言，執(zhí)行吞吐量是至關(guān)重要的。ARM Cortex-A系列處理器，在提供內(nèi)存帶寬和流水線性能的同時，還提供了對內(nèi)存管理和其他先進的操作系統(tǒng)功能的完全支持。
　　同時，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通信系統(tǒng)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，除非對硬件本身進行替換。TrustZone技術(shù)保護了片內(nèi)和片外內(nèi)存以及外設不受軟件的攻擊。由于系統(tǒng)的安全要素被設計進了內(nèi)核硬件中，安全性能就被帶到了每一件設備的心臟內(nèi)，成為其固有的特性。
　　TrustZone技術(shù)對安全的代碼和數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)進行標簽和分割，并保持一個清晰的、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(shù)據(jù)能夠在操作系統(tǒng)中安全地、高效地運作，并且不容易遭受攻擊。

　　突出實時性能
　　深度嵌入式處理器內(nèi)核很快就會需要跟現(xiàn)在高性能、低功耗架構(gòu)一樣的指標。ARM Cortex-R系列就是對此而設計的；在性能上它等價于現(xiàn)在中等性能的應用處理器，但是更專注于系統(tǒng)實時響應的需要。
　　優(yōu)秀的流水線性能和快速響應能力將把Cortex架構(gòu)帶入下一代計算密集型的實時應用領(lǐng)域。舉例來說，汽車電子設計中將更多地使用高性能的節(jié)點設備來協(xié)調(diào)眾多的電子系統(tǒng)，提供更多先進的安全功能，比如雷達跟蹤系統(tǒng)等。
　　在家庭中，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)和機頂盒將需要能夠?qū)鬏數(shù)拿襟w流進行編解碼，從而最大限度地有效利用家庭有線或無線網(wǎng)絡。為了驅(qū)動這些系統(tǒng)，高速網(wǎng)絡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通過對完整的ARM及Thumb-2指令集的支持，實現(xiàn)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
　　ARM Cortex-M系列處理器把32位的開發(fā)優(yōu)點帶入了微處理器市場，為那些正在8位和16位微處理器結(jié)構(gòu)上為添加更多功能而煩惱的用戶提供了一個升級途徑。
　　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)品正在越來越多地要求先進的32位微處理器來安全地接入因特網(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公司，以幫助他們確認這些機器能一直以良好的狀態(tài)進行工作。以低價無線網(wǎng)絡（例如ZigBee）連接起來的空調(diào)系統(tǒng)能夠通過軟件來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(gòu)。然而，大部分這類架構(gòu)很難處理多任務，或超過64kB的線性代碼長度。要想建立更多代碼和內(nèi)存空間的應用機制，需要復雜的內(nèi)存分頁或者分段配置。這時候使用一個真正的32位架構(gòu)會更有效率，從而使得大型的微處理器應用程序開發(fā)成為可能。
　　與現(xiàn)有的高級微處理器類似，ARM Cortex-M提供了一個硬件向量中斷控制器，來確保外設中斷能夠得到最及時的處理。在Thumb-2指令集內(nèi)還增加了幾條指令，以支持在最小的空間內(nèi)完成實時控制。
　　Cortex-M系列是為現(xiàn)有8位和16位微處理器架構(gòu)用戶所設計的，關(guān)心的焦點是最高的可能代碼密度和最低的系統(tǒng)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。這是一個改進了的內(nèi)核設計，但同時仍通過對Thumb-2的支持保持了對整個ARM Cortex系列的兼容性。