ARM (Раздаточные материалы ТПАЦОС)

7

Процессоры архитектуры ARM

1. Семейство процессорных архитектур ARM

Фирма ARM в настоящее время является мировым лидером в области разработки сложных функциональных блоков (СФ-блоков, IP-блоков) СБИС. Она продает лицензии на свои разработки огромному количеству ведущих мировых компаний в области разработки и производства:

• микропроцессоров и микроконтроллеров;

• процессоров и систем;

• программного обеспечения и инструментальных средств.

Сеть партнеров ARM является всемирной и не имеет себе равных. Среди ее партнеров такие всемирно известные брэнды как: Sharp, Sony, Microsoft, 3Com, Intel, Texas Instruments, Samsung, Philips, Altera, Atmel, CirrusLogic, STMicroelectronics и многие другие (более 300).

Сегодня ARM предлагает широкий диапазон микропроцессорных ядер, архитектурных расширений, инструментальных средств, интеллектуальных решений для периферии и СНК. Решения ARM отвечают современным требованиям рынка цифровых электронных продуктов, создаваемых для разных областей применения. Разработанные ARM RISC-технологии адресов имеют множество преимуществ перед сравнимыми архитектурами. Ядра фирмы ARM – не только не имеющая в мире аналогов в мире комбинация продвинутой логики, устойчивого функционирования, энергетической эффективности и низкой стоимости, но и очень простая интеграция в разработки. Последний и весьма важный фактор дает возможность полупроводниковым компаниям максимально быстро представлять свою продукцию на рынок.

Основой, обеспечивающей технологическое лидерство компании ARM, стала архитектура разрабатываемых процессоров. Эта архитектура не имеет себе равных по соотношению производительность/потребляемая мощность (MIPS на Ватт), возможностям апгрейта, достигнутой высокой плотности кода (рисунок.1).

Рисунок 1. Сравнительные характеристики плотности кода различных архитектур

Важной особенностью, существенно расширяющей области применения архитектуры ARM, стала система команд Thumb, являющаяся расширением базовой архитектуры ARM. Она содержит 36 команд, взятых из стандартного набора 32-разрядных команд архитектуры ARM и перекодированных в 16-разрядные коды. Тем самым достигается очень высокая

плотность кода, поскольку длина команд Thumb составляет половину длины стандартных 32-разрядных команд, что позволяет использовать в системе16 разрядную память. При выполнении эти команды декомпрессируются в полные 32-разрядные команды без потери параметров. Технология Thumb – это не смешанная система команд, а фактически две отдельные системы команд, позволяющие разработчику комбинировать ARM-коды с Thumb-кодами, обеспечивая максимальную гибкость их применения.

Другой определяющей особенностью стала шина AMBA (Adnanced Microcontroller Bus Architecture) – шина, разработанная фирмой ARM для организации эффективного взаимодействия компонентов приборов, построенных на базе ядер фирмы. Шина AMBA – стандартная ASIC-шина, обеспечивающая быстрое быстрое модульное проектирование систем при упрощении многократного использования схемотехники и тестов. ARM также обеспечивает возможность использования библиотеки PrimeCell периферии, которая соответствует AMBA-стандарту и обеспечивает простоту разработки ASIC (Aplication Specific Integrated Circuit – специализированная заказная микросхема) и ASSP (Aplication Specific Standard Product - стандартная заказная микросхема). При использовании AMBA с синтезируемыми версиями периферийных устройств аппаратные средства системы и программное обеспечение могут быть разработаны на начальном этапе проектирования и, следовательно, может быть снижен риск ошибок проектирования конечной системы.

Эволюция ARM-архитектуры может быть рассмотрена двояко. Во-первых, ее можно рассматривать как эволюцию аппаратных объектов (процессоров). С этой точки зрения к настоящему времени существует несколько поколений ARM-архитектуры, которые формально можно представить следующими семействами ядер: ARM7, ARM9, ARM9Е, ARM10, ARM11, Cortex.

Во-вторых, эволюцию ARM-архитектуры можно рассматривать как эволюцию системы команд. К настоящему времени можно указать следующие этапы эволюции архитектуры системы команд: ARMv4, ARMv4T, ARMv5T, ARMv5TEJ, ARMv6, ARMv7.

В качестве модифицирующих ISA-технологий (ISA - Instruction Set Architectures, архитектура системы команд) можно указать ARM-технологии Jazelle™, TrustZone™, Intelligent Energy Manager (IEM) и NEONTM.

ARMv4

Старейшая версия ISA-архитектуры, которая в настоящее время реализована в некоторых процессорных ядрах семейства ARM7™ и в процессорах Intel StrongARM®. Команды архитектуры ARMv4 – 32-разрядные команды, оперирующие в 32-разрядном адресном пространстве.

ARMv4T

Версия ARMv4T отличается от ARMv4, тем, что в нее добавлены 16-разрядные команды системы команд Thumb, позволяющие экономить до 35% объема памяти по сравнению традиционными 32-разрядными командами.

ARMv5TE

Эта версия, появившаяся в 1999 г., отличается от предыдущей (ARMv4T) тем, что были произведены улучшающие модификации системы команд Thumb и добавлены команды для выполнения операций цифровой обработки сигналов (DSP), позволившие на 70% ускорить приложения связанные с цифровой обработкой аудиосигналов и избежать необходимости использования мультипроцессорной обработки. Буква E в обозначении версии указывает именно на расширение команд набора DSP.

ARMv5TEJ

В 2000 г. в ARMv5TEJ были введены команды ARM-технологии Jazelle™ для ускорения Java™-приложений. Не имеющее равных сочетание Java™-характеристик и передовой 32-разрядной RISC-архитектуры дает широкие возможности разработчикам платформ исполнять

Java™-приложения совместно с установленными ОС и промежуточными программами на одном процессоре. По сравнению с программной реализацией Java Virtual Machine (JVM) достигается ускорение в 8 раз и сокращение на 80% потребляемой мощности по сравнению с ARM процессорами без Jazelle™.

ARMv6

Архитектура ARMv6, анонсированная в 2001 г. В нее включены функции акселерирования мультимедийных продуктов посредством технологии SIMD (Single Instuction Multi Data), которая эффективно работает с большими матрицами данных. ARM-ядра с SIMD-расширением оптимизированы для широкого диапазона программных применений, включая видео- и аудиокодеки. При этом характеристики улучшаются почти в 4 раза. Дополнительно введены дополнения в соответствии с технологиями Thumb-2 и TrustZone.

ARMv7

Архитектура ARMv7 определяет 3 процессорных профиля: А – для сложных приложений и ОС базирующихся на использовании виртуальной памяти; профиль R – для систем реального времени; профиль М – оптимизированный для дешевых микроконтроллерных приложений.

Архитектура ARMv7 включает расширение функций DSP (обработки сигналов) и мультимедийной обработки, ускоряя их на 400%. Кроме этого улучшены функции арифметики над числами с плавающей точкой и ускорения функций трехмерной графики (3D graphics).

NEONTM - вариант архитектуры ARMv7A, предназначенный для реализации функций следующего поколения переносных (handheld) устройств. Это архитектура SIMD (Singl Instruction Multi Data, «одна команда много данных») разрядности 64/128 для мультимедийных приложений, обработки сигналов, кодирования/декодирования изображений, обработки изображений, трехмерной графики, телефонии, синтеза звуковых сигналов и пр.

Архитектурная опция VFP (Vector Floating Point).
VFP поддерживает арифметику чисел с плавающей точкой одинарной и двойной точности и полностью соответствует международному стандарту IEEE 754.

Арифметика с плавающей точкой применяется в широком спектре приложений. Векторная обработка определяемая VFP может быть использована для ускорения приложений обработки изображений, двухмерных и трехмерных преобразований (3D и 2D), генерации шрифтов, реализации цифровых фильтров. В настоящее время архитектурная опция VFP поддерживается в семействах ARM9, ARM10 и ARM11 (VFP9-S и VFP10).

ARM TrustZone

Технология ARM TrustZone предоставляет средства для защиты функционирования процессоров. Обеспечивается это посредством аппаратной поддержки двух адресных пространств. Кроме этого обеспечиваются механизмы аутентикации и управления ключами.

Технология Thumb-2

Команды из множеств ARM и Thumb выполняются при соответствующих режимах процессора. Технология Thumb-2 добавляет смешанный режим, реализующийся за счет введения дополнительных 32-разрядных команд, которые могут выполняться в режиме Thumb, при этом упрощается балансировка режимов.

Технология ARM IEM (Intelligent Energy Manager).

Технология интеллектуального управления мощностью ARM  IEM определяет новые алгоритмы управления загрузкой процессора и потреблением энергии. Новые функции могут работать под управлением операционной системы или прикладной программы.

Рисунок 2. Использование новых технологий в последних версиях ISA
ARM архитектур

Семейство ARM7

Семейство включает процессорные макроядра ARM7TDMI, ARM7TDMI-S, ARM7EJ-S и кэшированное ядро ARM720T. Это процессорные ядра, ориентированные на приложения критичные к потребляемой мощности. Производительность составляет 130MIPS (Dhrystone 2.1).

Данное семейство поддерживает ISA-архитектуры ARMv4 и ARMv4T.

На базе макроядра кэшированного процессора ARM720T. Может создаваться законченный процессор средней производительности с 8 Кбайт кэш-памяти, буфером записи и функциями управления памятью. Эта система виртуальной памяти поддерживает такие операционные системы как Linux, Symbian OS и WindowsCE.

Возможна реализация процессоров с технологиями 0.25µм, 0.18µм и 0.13µм.

Семейство рассчитано на применение в аудиоплеерах MP3, WMA, AAC, мобильных телефонах, пейджерах.

Семейство ARM9

Включает процессорные ядра ARM920T и ARM922T. Предназначены для применения в мобильных телефонах, КПК, мобильных коммуникаторах, игровых консолях, аудиоплеерах (MP3), видеоплеерах (MPEG4), настольных принтерах, цифровых фотоаппаратах, цифровых видеокамерах.

Реализуют системы команд ARM and Thumb.Используют 5-стадийный конвейер команд, способный обеспечивать до 1.1 MIPS/МГц. Производительность, при реализации по технологии 0.13 мкм, достигает 300 MIPS (Dhrystone 2.1).

Типовая площадь ядра ARM922T составляет 2,1 мм2 (вместе с кэш-памятью), рассеиваемая мощность при напряжении питания 1,2В составляет 0,2 мВт/МГц.

Синтез возможен по технологиям 0.18 мкм, 0.15мкм, 0.13мкм.

Семейство ARM9E

Включает процессорные ядра ARM926EJ-S, ARM946E-S, ARM966E‑S и ARM968E-S.

Ядра предназначены для таких применений, в которых требуется сочетание возможностей микроконтроллера и сигнального процессора, а также обеспечение поддержки Java-приложений.

Предназначены для применения в мобильных телефонах, КПК, мобильных коммуникаторах, игровых консолях, аудиоплейерах (MP3), видеоплеерах (MPEG4), настольных принтерах, цифровых фотоаппаратах, цифровых видеокамерах, HDD и DVD накопителях, промышленных управляющих контроллерах, системах управления движением, энергоуправляющих системах, VoIP, Wireless LAN, xDSL.

Объединяют функции 32-разрядного RISC процессора, функции DSP поддерживающего одноцикловые 32х16 MAC функции, функции векторного сопроцессора с плавающей точкой (VFP9 функции).

Поддерживает системы команд ARM, Thumb и DSP, а также ARM Jazelle технологию. Также поддерживает функции Move Video сопроцессора, акселерирующего Sum of Absolute Differences (SAD) операции, используемые в MPEG-4 кодерах.

Используют 5-стадийный конвейер команд, способный обеспечивать до 1.1 MIPS/МГц. Производительность, при реализации по технологии 0.13 мкм, достигает 300 MIPS (Dhrystone 2.1) и 215 MFLOPS при реализации функций 3D графики.

Синтез возможен по технологиям 0.18 мкм, 0.15мкм, 0.13мкм.

Семейство ARM10E

В основе процессоров семейства – ядро ARM10TDMI, использующее ARM 32-разрядную RISC-систему команд, сжатую 16-разрядную систему команд Thumb и расширенные Multu ICE средства отладки программного обеспечения. Включает процессорные ядра ARM1020E, ARM1022E и ARM1026EJ-S, предназначенные для построения процессоров следующего поколения.

Используют 6-стадийный конвейер команд, с прогнозированием переходов, способный обеспечивать до 1.35 MIPS/МГц.

Производительность, при реализации по технологии 0.13 мкм, достигает 430 MIPS (Dhrystone 2.1). VFP10 сопроцессор обеспечивает производительность до 650 MFLOPS при реализации функций трехмерной графики.

Семейство включает процессорные ядра ARM1020E, ARM1022E и ARM1026EJ-S

ARM1020E – кэшированное макроядро, оснащенное:

• встроенной кэш-памятью команд и данных объемом 32 Кбайт каждая;

• MMU, поддерживающим виртуальную память с подкачкой страниц по требованию;

• буфером записи;

• широкополосным шинным интерфейсом AMBA.

Макроядро ARM1022E аналогично ARM1020E, но отличается меньшим объемом кэш-памяти (16 Кбайт).

Макроядро ARM1026EJ-S отличается наличием технологии Jazelle™ для ускорения Java-приложений, а также наличием MPU одновременно с MMU.

MMU обеспечивает поддержку Windows CE, Symbian OS, Linux, Palm OS.

Основная область применения данной серии – мультимедийные цифровые потребительские носимые и карманные приборы, КПК, а так же приставки для видеоигр с 2D и 3D-графикой. Возможно применение в промышленных управляющих контроллерах, системах управления движением, энергоуправляющих системах.