嵌入式POS机的基础－－ARM体系架构

在嵌入式领域，ARM（全称Advanced RISC Machines）的名字可谓是无人不知，在32位市场，ARM架构的产品占据高达75％的市场份额，居于垄断地位。该架构的专利持有者就是ARM公司。ARM成立于1990年，它实际上是Arcon、Apple和VLSI三家企业共同合作的产物。当年，Acron公司需要为它们的Archimedus电脑开发一枚处理器，Apple公司同样寻求一款可以代替摩托罗拉68000 CISC处理器的RISC架构产品，而VLSI则打算设计出一枚精简高效的RISC处理器用于集成系统中。颇富戏剧性的是，这三家企业最终都没有实现自己的目的，但ARM架构却在它们未曾想到的嵌入式领域被发扬光大。
ARM体系架构－ARM的发展历程与产品特色
与Intel、AMD等集设计、制造、销售于一体化的半导体企业不同，ARM从未涉及芯片制造和销售业务，公司创立以来一直都是以IP（Intelligence Property，知识产权）提供者的身份向各大半导体制造商出售芯片研发的成果，各大半导体厂商购买IP内核授权之后便可在此基础上进行深化设计，然后制造出产品并将其推向市场。这种策略让ARM实现专业化的同时也造就了一个庞大的ARM王国。ARM架构的CPU核心具有低功耗、低成本、高性能等优点，获得许多半导体企业的大力支持。生产ARM架构嵌入式处理器的大企业超过70家，每一家企业都有自己的一套方案，再加上其他厂商开发的衍生产品，使得ARM架构最终在32位嵌入式市场遍地开花，应用极其广泛。
在ARM的内核大家族中，ARM7、ARM9、ARM10和ARM11的影响力最大，相继被包括Intel、德州仪器（TI）、高通、摩托罗拉、Atmel在内的重量级半导体企业所采用。到目前为止，全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数PDA产品均采用ARM体系的嵌入式处理器。
ARM领先的低能耗特性可以说占了头功。当初刚刚起步的嵌入式应用对运算性能并不苛求，但对芯片的功耗却相当敏感。而相对同时期的其他解决方案， ARM架构的能效比优势非常明显：325MHz频率的ARM1020E处理器虽然绝对性能最低，但在消耗相等电能的前提下，它所拥有的性能远远超越IBM的PowerPC 750、摩托罗拉MPC7455（苹果的G4＋处理器）、PowerPC7400（苹果G4处理器）以及NEC的VR5500处理器，能效比极其出众。
再者，ARM架构的应用方案非常灵活，由于ARM公司只是提供了一个高效精简的核心，各半导体厂商可根据自身需求进行应用设计，架构灵活简便、扩展力很强。如厂商可为多媒体信号处理加入相关的指令集，或为Java相关的应用加入高效执行单元，或增加3D图形协处理器等等。高度可扩展性也让ARM出现了许多衍生架构，如流行在PDA领域的Dargonball、StrongARM和XScale架构也都属于ARM体系。得到大量软件支持是ARM具有决定性影响的第三个优势，包括Windows CE、Symbian和Palm OS在内的三种主要常用系统都是基于ARM架构所设计，采用嵌入式Linux操作系统的掌上设备虽然还不是很多见，但它同样是基于ARM。目前，ARM已经牢牢占领手机、PDA以及其他的掌上电子产品市场，这些领域都非常注重软件兼容和设计延续性，ARM继续保持贯有优势没有任何悬念。也许有很多其他的嵌入式处理器拥有更卓越的性能，但这并非厂商要考虑的唯一要素，事实上，精简的硬件核心、超低能耗、设计灵活、软件支持和丰富的开发工具，这些都是ARM架构赖以成功的技术基础。
ARM体系架构－ARM核心设计的演进
纵观ARM的发展历史，技术创新和工艺进步成为两大推动力，这一点在ARM7核心到ARM11核心的发展历程中获得良好体现。ARM7只拥有一个包含“预取（Fetch）、解码（Decode）和执行（Execute）”单元的简单三级流水线结构，在采用0.18微米工艺时核心面积小于0.8平方毫米（不同型号的ARM7，核心面积也各不相同），其时钟频率在50MHz到110MHz之间，每MHz所对应的运算能力为0.9 Dhrystone MIPS（Dhrystone：综合性的基准测试程序，测试处理器的整数性能；MIPS：每秒百万条指令），最多消耗0.4毫瓦电力。后来的ARM9核心将流水线增加到五级，新增了内存访问（Memory）和写入（Write）两个单元—处理器流水线增长有利于提高工作频率，但同时会带来指令执行效能下降的问题。ARM9核心的最高频率提升到220MHz级别，比ARM7系列整整高了一倍之多。同时ARM9的指令性能也高于ARM7，达到每MHz频率1.05到1.1MIPS的水平，这应该归功于AMR9在周边设计方面的多方位改进。高频率加上高指令效能，令ARM9核心获得了非常明显的性能提升，这也是它受到业界广泛追捧的主要原因。但由于晶体管数量有些增加，ARM9内核的芯片面积也小幅提升至1.1平方毫米，功耗范围在每赫兹0.85到1毫瓦之间。
到了ARM10核心，流水线长度进一步增加到六级，它在预取和解码单元之间加入了一个“发送（Issue）”单元，再加上引入0.15微米制造工艺，使得ARM10的最高频率突破400MHz。ARM10采用更先进的V5T指令集（之前所有的ARM7、多数ARM9为V4T版本），并对逻辑架构作了很大程度的优化（如利用一个返回堆栈减少子程序返回时的等待时间），大幅度提高了执行效率，最终它的指令执行效能反而提升到每MHz频率1.24 Dhrystone MIPS。猛增的工作频率加上较高的指令效能，ARM10的整体性能再次获得大幅度提升。不过，ARM10的晶体管数量同时也增加了很多，幸好在0.15微米工艺的帮助下，它的核心面积成功控制在10平方毫米的水平（带64KB缓存），功耗水准保持在每赫兹0.85毫瓦，能效比与前一代的ARM9基本持平，整体表现相当出众，获得广泛应用不成问题。
ARM11核心发布于2002年10月份，为了满足PDA对性能日益苛刻的要求，ARM公司将其流水线长度扩展到8条，分别为预取、解码、发送、转换/MAC1、执行/MAC2、内存访问/MAC3和写入等八个单元，属于ARM V6指令集架构。ARM11采用当时最先进的0.13微米制造工艺，运行频率最高可达500到700MHz。如果采用90纳米工艺，ARM11核心的工作频率将轻松达到1GHz—对于嵌入式处理器来说，这显然是个相当惊人的数字。其次，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，它主要用来存储最近使用过的转换位址。当采用动态转换预测机制而无法在地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。针对高速度带来能耗增加的问题，ARM11引入一项名为“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的能效比得以继续提高，平均每赫兹频率只需消耗0.6毫瓦（有缓存时为0.8毫瓦）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。
扩展功能方面ARM11也大有增强，如支持单指令多数据（SIMD）指令，可以让那些采用特定算法的应用程序获得二到三倍的高效执行。支持JAVA解码功能，在运行Java程序时效率极佳，这对于手机、PDA等Java程序流行的平台来说具有相当积极的意义。再者，ARM11可以同“协处理器”配合，完成一些指定的任务，这也让它可以适应更多的应用场合。另外，ARM11支持“TrustZone”安全技术，该技术可识别出系统的安全码和数据，并保证它们在操作系统中得到安全、有效地同时运行，可防范病毒和恶意代码的攻击，同时也不需牺牲任何系统性能，相信这对于机顶盒、新一代智能电话、付款设备、网络设备、手机等注重信息安全的数字设备来说有很强的实用价值。0次