对正确的任务设计正确的处理器——解析ARM的处理器架构

2016-07-01 18:21:02来源: EEWORLD 关键字:ARM
日前,ARM处理器部门技术总监Peter Greenhalgh介绍了ARM处理器架构,详细介绍了为何Cortex-A、R与M可以胜任不同市场。以下是文章详情

在ARM,我们认为应该使用适合的处理器来执行对应的任务(the right processing for the right tasks),我们也是一直致力于研发最适合的处理器,来面对更多日常的应用。如果将ARM处理器与其他公司的处理器作比较,就会看到ARM是最合适的处理器。我们也一直在针对不同的任务,设计合适的处理器。接下来我会跟大家介绍一下每个不同的处理器如何体现“使用适合的处理器来执行对应的任务“这一理念。

ARM处理器现在分成了三个系列,从家族来讲是A系列、R系列和M系列。A系列主要是面向application的处理器,R主要是面向实时性的处理器,M主要是面向micro controller的处理器。在ARM的架构里面,每个系列都有它独特的特征。针对这些独特的特征,我们每个系列里都推出了独特的处理器。

我们可以看到ARM现在有这些架构,而各个系列现在都有ARMv8架构了。针对ARMv8-A,我们在2013年已经推出了Cortex-A57和Cortex-A53。我们也在不断地扩展ARMv8-A指令架构,推出了ARMv8.1和ARMv8.2。ARMv8.1我们有Far Atomics,NEON指令,以及对于虚拟化的增强。而ARMv8.2我们支持半精度浮点(Half Precision Floating point)以及针对一些服务器的RAS 特征。

我们在两年前发布了ARMv8-R架构,增加了实时的虚拟化,还有增强的AArch32 ISA,以及可选的虚拟内存系统。同时,我们也推出了ARMv8-M指令集,并有相应的处理器。

针对每个系列,我们都有独特的功能以及特性。针对Cortex-A,我们是支持Linux/Rich OS, 32位/64位的ARM指令集,在软件上我们支持软件中断管理。在存储方面,我们支持多极的缓存。在安全性方面,我们提供ASIL B级的支持。

对Cortex-R我们目前有支持MMU的,所以它也可以支持Rich OS。同样我们也可以选择支持MPU的这样的操作系统,在Cortex-R上我们只有32位ARM指令集和Thumb指令集,这个主要是专门针对嵌入式市场做的优化。在终端,我们有专门的软件管理。还有一个Cache和TCM以及安全性方面支持ASIL D。

Cortex-M系列我们主要是针对超低功耗以及最小面积进行设计的,所以目前我们是支持实时性的操作系统RTOS,我们目前是支持32位Thumb的指令集。我们在终端这方面支持硬件中断管理,终端处理的速度可以说是非常快的。在Cache和TCM这方面一般是用Cortex-M7来进行支持,在安全性方面,我们支持到 ASIL-D。

针对每个系列,我们都是用不同的处理器去处理不同的应用。这边举了几个例子,在可穿戴方面,我们主要用Cortex-A和Cortex-M。在存储这方面是由Cortex-R和Cortex-M。在ADAS这边有Cortex-A和Cortex-R,由于ADAS这边对安全性要求特别高,所以针对Cortex-R,我们有做特别的优化,提供了一些function package。在ADAS这边,还有一些高性能的,那我们可以用Cortex-A进行处理。在移动消费市场, Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M都有应用,A来做Application处理器,R主要是做基带,Cortex-M可能会用于sensor hub的芯片领域。

接下来我们会分别介绍这几个系列的处理器,Cortex-A架构里面是有非常丰富的指令集架构,包含整数的指令集架构以及浮点运算的指令集架构.我们可以支持到SIMD多数据的运算,在我们的NEON单元里面提供支持。

Cortex-A里面我们有AArch32的指令集,主要是向后兼容ARMv7-A架构,也就是说以前在ARMv7-A上开发的应用现在都可以很方便地跑在Cortex-A57与Cortex-A53这样的ARMv8-A的处理器架构里面。

在ARMv8-A里面,我们介绍了AArch64,这是2011年推出的,由ARM64位架构来实现的,当时是有Cortex-A57以及Cortex-A53。这样的指令集使我们的访问地址大大增加了,超过了4GB的内存访问空间,也有更多的存储器可以让我们的编辑器进行使用。我们针对指令集也是专门进行了优化,主要是面向功耗效率这方面。

在微架构上,我们可以有多种实现。我们可以实现超高能效比的处理器,它可以适用于可穿戴市场,我们也可以实现非常高性能的处理器,它可以实现乱序,达到几G赫兹。这样的处理器可以应用在很高性能的市场,比如服务器市场。所有这些处理器我们都可以支持内存一致性的系统,这样我们可以从multi-Cluster的设计里面通过内存一致性让系统来进行支持。

以Cortex-A35为例,Cortex-A35是我们Cortex-A系列里面面对超低功耗、可穿戴市场的,以及中低端手机移动市场的处理器。它的设计是相对比较简单,它的执行集都是做得相对面向能效优化方向,它主要是按需完成主要的流水线。在这样一个处理器里面,我们也是做成多核处理器的。Cortex-A35我们在总线这方面是可以支持AMBA4 ACE总线,也可以支持最新的AMBA5 CHI总线。这样的话,我们就可以在一个Cluster里面最多实现4个核,也可以实现多个Cluster。

我们最近也发布了Cortex-A73处理器。Cortex-A73处理器是完全和以前的指令集兼容,也和Cortex-A53和Cortex-A35做了很好的配合。

Cortex-A73在这个架构上是做了很大的提升,它是可以进行乱序执行的,也是完全可以跟Cortex-A35完全兼容。
在总线上,我们也是支持128-bit的AMBA4 AXI4的总线,在Cache这样的配置方面,我们可以支持不同的配置。稍后,我会更详细地介绍Cortex-A73。

现在我们跟大家介绍一下Cortex-R处理器。Cortex-R处理器从架构上来讲也有非常丰富的指令集的,包括处理器浮点运算SIMD(NEON),Cortex-R这样一个处理器我们现在只是支持AArch32,并没有支持AArch64。Cortex-R处理器和Cortex-A处理器不一样,我们并没有极致地追求单线程的性能,而是关注实时性,以及能够执行、完成安全性的一些特定功能。

Cortex-R处理器我们是集中在代码密度的优化上。在Cortex-R里面,有很大一部分的性能是跟I/O以及flash相关,我们在这方面也是做了很多的优化。同时,我们也支持紧耦合的缓存,这对实时性也非常有帮助。

跟Cortex-A处理器的很多应用不一样,Cortex-R处理器侧重于实时性以及安全性,更多地应用在IoT、基带的调制解码器、存储,汽车以及工业控制等方面。Cortex-R的确定性执行、实时性以及安全性的特征,都非常适合这些领域。

Cortex-R的实时性是非常重要的。我们在功率、面积以及能耗优化方面也下了很多功夫。

Cortex-R8是我们今年发布的一款处理器,我们相信不久之后就会看到基于Cortex-R8的基带芯片。

跟Cortex-A系列不一样的是,我们这边有很多针对存储的优化。比如TCM的,在外设接口这边,我们是有AXI-S和AXI-M接口以及低延迟外设接口,以及低延时的内存接口。

Cortex-R8这边我们有支持紧耦合缓存。TCM对确定性的执行有非常大的帮助的,也保证了我们的实时性。

Cortex-R8我们可以支持到4核的,它是超标量乱序执行的处理器,它有11阶流水线,并且有浮点运算单元,支持单精度和双精度的浮点。和Cortex-A不太一样的是,我们是集中在确定性的执行以及实时性这方面。

跟Cortex-A和R不一样的是,M系列主要是面向代码密度以及低功耗的微控制器市场,所以并没有像Cortex-A和R那样有那么丰富的指令集。所有Cortex-M系列的处理器都是面向最低功耗的,都是按序完成的流水线。Cortex-M处理器我们也是有非常丰富的可配置性,有些处理器可选浮点运算单元。作为可选,我们能够达到最好的功耗以及最好的面积。

Cortex-M系列的处理器可以实现超高的能效比,应用于超低功耗的IoT的MCU,也可以用于移动市场sensor hub这样需要很高性能的市场,所有这些Cortex-M都可以做到。

这边以Cortex-M7为例,Cortex-M7甚至比Cortex-R有更丰富的接口,所有刚才我们指的这些都是可配置的。如果你需要,就可以把它放到那里,不需要就可以把它移掉,像一些TCM等配件。我们也可以根据需求做到最优化的Cortex-M的处理器。

Cortex-M7是我们在M系列里面性能最好的一个处理器,我们也支持了缓存的TCM等。当然我们也可以把这些去掉,得到更好的面积和功耗。Cortex-M系列也支持比较高的安全性功能,这边可以看到ECC就是来支持安全性功能。

我们主要的目的就是对正确的任务设计正确的处理器,我们在每个架构里面都有一些独特的处理器来覆盖这样的一些市场。

关键字:ARM

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/article_2016070155345.html
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