嵌入式系统架构汇总介绍
发布时间：2015-11-13 09:55
发布者：designapp
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RISC家族之ARM处理器 ARM公司于1991年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用ARM技术智能财产(IP)核心的处理器，即我们通常所说的ARM 处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器 75%以上的市场，ARM技术不止逐步渗入到我们生活的各个方面，我们甚至可以说，ARM于人类的生活环境中，已经是不可或缺的一环。 目前市面上常见的ARM处理器架构，可分为ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在进行开发验证，市面上还未有相关产品推出。ARM也是嵌入式处理器中首先推出多核心架构的厂商。 ARM首个多核心架构为ARM11 MPCore，架构于原先的ARM11处理器核心之上。ARM11核心是发布于2002年10月份，为了进一步提升效能，其管线长度扩展到8阶，处理单元则增加为预取、译码、发送、转换 /MAC1、执行/MAC2、内存存取/MAC3和写入等八个单元，体系上属于ARM V6指令集架构。ARM11采用当时最先进的0.13μm制造制程，运行频率最高可达500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作频率能够轻松达到1GHz以上—对于嵌入式处理器来说，这显然是个相当惊人的程度，不过显然1GHz在ARM11体系中不算是个均衡的设定，因此几乎没有厂商推出达到1GHz的ARM11架构处理器。 ARM11的逻辑核心也经过大量的改进，其中最重要的当属“静/动态组合转换的预测功能”。ARM11的执行单元包含一个64位、4种状态的地址转换缓冲，它主要用来储存最近使用过的转换地址。当采用动态转换预测机制而无法在寻址缓冲内找到正确的地址时，静态转换预测功能就会立刻接替它的位置。在实际测试中，单纯采用动态预测的准确率为88%，单纯采用静态预测机制的准确率 只有77%，而ARM11的静/动态预测组合机制可实现92%的高准确率。针对高时脉速度带来功耗增加的问题，ARM11采用一项名为“IEM (Intelligent Energy Manager)”的智能电源管理技术，该技术可根据任务负荷情况动态调节处理器的电压，进而有效降低自身的功耗。这一系列改进让ARM11的功耗效能比得以继续提高，平均每MHz只需消耗0.6mW(有快取时为0.8mW)的电力，处理器的最高效能可达到660 Dhrystone MIPS，远超过上一代产品。 至于ARM11 MPCore，其在架构上与ARM11同样属于V6指令体系。根据不同应用的需要，MPCore可以被配置为1-4个处理器的组合方式，根据官方资料，其最高性能约可达到2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是标准的同质多核心处理器，组成MPCore的是4个基于ARM11架构的处理器核心，由于多核心设计的优点是在频率不变的情况下让处理器的性能获得明显提升，因此可望在多任务应用中拥有良好的表现，这一点很适合未来家庭消费电子的需要。例如，机顶盒在录制多个频道电视节目的同时，还可通过互联网收看数字视频点播节目、车内导航系统在提供导航功能的同时，仍然有余力可以向后座乘客播放各类视频码流等。 RISC家族之ARC架构 与其它RISC处理器技术相较起来，ARC的可调整式(Configurable)架构，为其在变化多端的芯片应用领域中争得一席之地。其可调整式架构主要着眼于不同的应用，需要有不同的功能表现，固定式的芯片架构或许可以面面俱到，但是在将其设计进入产品之后，某些部分的功能可能完全没有使用到的机会，即使没有使用，开发商仍需支付这些〝多余〞部分的成本，形成了浪费。 由于制程技术的进步，芯片体积的微缩化，让半导体厂商可以利用相同尺寸的晶圆切割出更多芯片，通过标准化，则是有助于降低芯片设计流程，单一通用IP所设计出来的处理器即可应用于各种用途，不需要另辟产能来生产特定型号或功能的产品，大量生产也有助于降低单一芯片的成本，而这也是目前嵌入式处理器的共通现象。 在ARC的设计概念中，是追求单一芯片成本的最小化，量体裁衣，这需要在设计阶段依靠特定EDA软件才能做到。 ARC近期也推出了基于700系列的多媒体应用加速处理器，其中整合了ARC 700通用处理核心，以及高速SIMD处理单元，可以在低时钟下轻松进行诸如蓝光光盘的H。264编译码处理，此架构称为VideoSubsystem，基本上该应用处理器就可以担任通用运算工作，不过也可以与其它诸如ARM或MIPS体系进行连结，以满足应用程序的兼容性与影音数据流的加速。 RISC家族之Tensilica架构 Tensilica公司的 Xtensa 处理器是一个可以自由配置、可以弹性扩张，并可以自动合成的处理器核心。Xtensa 是第一个专为嵌入式单芯片系统而设计的微处理器。为了让系统设计工程师能够弹性规划、执行单芯片系统的各种应用功能，Xtensa 在研发初期就已锁定成一个可以自由装组的架构，因此我们也将其架构定义为可调式设计。 Tensilica公司的主力产品线为Xtensa，该产品可让系统设计工程师可以挑选所需的单元架构，再加上自创的新指令与硬件执行单元，就可以设计出比其它传统方式强大数倍的处理器核心。Xtensa 生产器可以针对每一个处理器的特殊组合，自动有效地产生出一套包括操作系统，完善周全的软件工具。 Xtensa为一32位处理器，该结构特色是有一套专门为嵌入式系统设计、精简且效能表现不错的16与24位指令集。其基本结构拥有80个 RISC 指令，其中包括32位 ALU，6个管理特殊功能的缓存器，32或64个普通功能32位缓存器。这些32位缓存器都设有加速运行功能的信道。Xtensa 处理器的指令相当精简，系统设计师可以以此缩减程序代码的长度，从而提高指令的密集度并降低功耗。相对于高合成的单芯片系统ASIC而言，能达到有效减低成本。Xtensa 的指令集构架包括有效的分支指令，例如：经合成的比较 - 分歧循环、零开销循环和二进制处理，包括漏斗切换和字段抽段操作等。浮点运算单元与向量 DSP 单元是 Xtensa 结构上两个可以加选的处理单元，可以加强在特定应用的效能表现。 RISC家族之MIPS处理器 MIPS是美国历史悠久的RISC处理器体系，其架构的设计，也如美国人的性格一般，相当的大气且理想化。MIPS架构起源，可追溯到1980年代，斯坦福大学和伯克利大学同时开始RISC架构处理器的研究。 MIPS公司成立于1984年，随后在 1986年推出第一款R2000处理器，在1992年时被SGI所并购，但随着MIPS架构在桌面市场的失守，后来在1998年脱离了SGI，成为MIPS技术公司，并且在1999年重新制定 公司策略，将市场目标导向嵌入式系统，并且统一旗下处理器架构，区分为32-bit以及64-bit两大家族，以技术授权成为主要营利模式。 MIPS除了在手机中应用得比例极小外，其在一般数字消费性、网络语音、个人娱乐、通讯、与商务应用市场有着相当不错的成绩，不过近年来因为其它IP授权公司的兴起，其占有比率稍有衰退。MIPS应用最为广泛的应属家庭视听电器(包含机顶盒)、网通产品以及汽车电子方面。 对于MIPS，其核心技术强调的是多执行绪处理能力(Multiple issue，国内也通常称作多发射核技术，以下以此称谓)。一般来说，多核心与多发射是两个并不是互斥的体系，可以彼此结合，然而在嵌入式领域，ARM与MIPS这两大处理器IP厂商对这两个架构的态度不同，造成这两个架构在嵌入式市场上对抗的结果。 MIPS的多发射体系为MIPS34K系列，此为32位架构处理器，从架构上来看，其实多发射核技术只是为了尽量避免处理单元闲置浪费而为的折衷手段，就是将处理器中的闲置处理单元，分割出来虚拟为另一个核心，以提高处理单元的利用率。在技术上，为了实现硬件多重处理，多核心与多发射两者对于软件最佳化的复杂度方面同样都比单核心架构来得复杂许多。 34K核心能执行现有的对称式二路SMP操作系统(OSes)与应用软件，通过操作系统的主动管理，现有的应用软件也能善用多发射处理能力。它亦能应用在多个执行线程各自有不同角色的(AMP或非对称式多重处理)环境下。此外，34K核心能设定一或两个虚拟处理组件(VPE)以及多至5个线程内容(Thread Content)，提供相当高的设计弹性。MIPS的多发射在任务切换时，有多余的硬件缓存器可以记录执行状态，避免切换任务时，因为必须重新加载指令，或者是重新执行某部分的工作，造成整个执行线程的延迟。不过即便能够达到同时执行多个任务的能力，多发射处理器本质上仍然是单核心处理器，在单一执行绪面临高负载时，其它执行绪的处理时间就有可能会被压缩，甚至被暂停。而不同执行绪在执行的过程中，诸如内存锁定、解锁以及同步等处理过程在多发射体系上也会发生，因此在极端情况下，多发射的性能是明显比不上原生多核心架构的(以两个执行绪对两个核心的比较而言)。 不过多发射体系的优点在于硬件效率高，理论上功耗也能有效降低。部分IC设计公司也推出了基于MIPS架构的平行架构多核心，形成兼具多核与多发射的应用架构，相信在未来这种体系将会纳入MIPS的原生架构当中，以应付更复杂的应用。 CISC家族之VIA架构 目前仍存活的X86处理器厂商，除了身为世界第一大半导体厂的Intel以外，其余两家都活的相当辛苦，尤其以台湾的VIA(威盛)为最，该公司在处理器产品线的经营上，向来遭受大厂的打压， VIA过去所推出的一系列低功耗处理器，虽然效能偏低，但是其功耗控制能力非常优秀，远远超过Intel以及AMD这两家CPU大厂，如今世界潮流逐渐从效能取向走往绿色环保取向，VIA终于也是媳妇熬成婆，除了在一般低价PC获得满堂彩以外，在UMPC以及嵌入式系统方面，也都能提供相当优秀的解决方案。 VIA 的主流产品线为C7-M处理器，该款处理器共分两个型号——普通版本及Ultra Low Voltage版本，C7-M普通版本型号拥有1.5GHz/400MHz FSB、1.6GHz/533MHz FSB、1.867GHz/533MHz FSB及最高速度的2GHz/533MHz FSB，电压由1.004V至1.148V，最高功耗由12W至20W，在P-State模式下电压会下调至0.844V，而功耗则只有5W。 Ultra Low Voltage版本的C7-M处理器，拥有1GHz/400MHz FSB、1.2GHz/400MHz FSB及1.5GHz/400MHz FSB，ULV版本工作电压只需要0.908V至0.956V，最高功耗由5W至7W左右。而ULV之中还会有一个Super ULV的C7-M 1GHz，型号为C7-M ULV 779，工作电压可低至0.796V，最高功耗仅有3.5W。由于这些特点，使其在低价计算机、嵌入式应用领域中，成为不能忽视的第三势力。 CISC家族之AMD架构 AMD是在主流市场上，唯一能与Inte抗衡的X86处理器厂商，然而在购并ATI之后，其表现只能算差强人意，以目前所规划的主流产品线而言(包含CPU与GPU)，其实都是处于挨打的状态。毕竟AMD具有业界最佳的技术均衡性，既有先进的处理器技术，又是GPU技术第二领导者，兼以效能表现相当优秀的主机板芯片产品，以及自有的晶圆厂，虽不及Intel霸气，仍然占有很大市场份额。 在嵌入式应用方面，其实过去AMD有向MIPS授权其IP，开发出Alchemy产品线，算是直接向Intel过去的ARM架构Xscale直接叫阵的一款产品，然而此产品并未掳获市场眼光，在应用上一向偏弱势，后来AMD也将之摆脱，开始利用自己的X86处理器来经营嵌入式应用领域。 AMD在嵌入式X86处理器方面的产品线为Geode，基本上这是一款整合度相当高的SoC产品，但是速度偏低，效能表现不佳，功能也未能比VIA的产品出色，定位相当尴尬。针对移动平台开发的X86处理核心，代号为“Botcat”，不过目前信息还不完备，因此只能从时间点推论，该处理器将有可能使用简化降频版的K8核心，但推出时间在今年，明显比对手晚了许多，若要整合K10核心，可能就要等到2009年 之后。 不过AMD购并ATI之后，得以将Fusion的概念带给消费者，Fusion算是身兼AMD与ATI二者之长，具备了先进的处理器核心、高效能的绘图核心，以及I/O控制能力，从低功耗的嵌入式应用，到高功耗的效能级产品，都是Fusion的产品守备范围内，但Fusion最早要到2009年才会进入市场。 |
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