新一代RISC微处理器ARM11的特点及关键技术

新一代RISC微处理器ARM11的特点及关键技术

ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它是ARM新指令架构——ARMv6的第一代设计实现。
　　该系列主要有ARM1136J,ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号，分别针对不同应用领域。
　　本文将对全新的ARMv6架构进行介绍，并深入分析ARM11处理器的先进特点和关键技术。
ARMv6结构体系
　　实现新一代微处理器的第一步就是订立一个新的结构体系。这里所说的结构体系只是对处理器行为进行描述，并不包括具体地指定处理器是如何被建造的。结构体系的定义提供了处理器和外界（操作系统,应用程序和调试支持）的接口，从细节上说，处理器结构体系定义了指令集、编程模式和最近的存储器之间的接口。
　　最新的ARM处理器架构—ARMv6，发布于2001年10月，它建立于过去十年ARM许多成功的结构体系基础上。同处理器的授权相似，ARM也向客户授权它的结构体系。比如，Intel的XScale就是基于ARMv5TE的处理器。本文也会就ARM11和Intel XScale的特点作一比较。
 

目标应用
　　ARMv6架构是根据下一代的消费类电子、无线设备、网络应用和汽车电子产品等需求而制定的。ARM11的媒体处理能力和低功耗特点，特别适用于无线和消费类电子产品；其高数据吞吐量和高性能的结合非常适合网络处理应用；另外，也在实时性能和浮点处理等方面ARM11可以满足汽车电子应用的需求。可以预言，基于AMRv6体系结构的ARM11系列处理器将在上述领域发挥巨大的作用。
主要特点
　　对于各种无线移动应用，毫无节制的提供高性能处理器是无用的。同成本控制类似，功耗的控制也是一个重要因素。
　　ARM11系列处理器展示了在性能上的巨大提升，首先推出350M~500MHz时钟频率的内核，在未来将上升到1GHz时钟频率（如图2）。

　　ARM11处理器在提供高性能的同时，也允许在性能和功耗间做权衡以满足某些特殊应用。通过动态调整时钟频率和供应电压，开发者完全可以控制这两者的平衡。在0.13um工艺，1.2v条件下，ARM11处理器的功耗可以低至0.4mW/MHz。
　　ARM11处理器同时提供了可综合版本和半定制硬核两种实现。可综合版本可以让客户根据自己的半导体工艺开发出各有特色的处理器内核，并保持足够灵活性。ARM实现的硬核则是为了满足那些极高性能和速度要求的应用，同时为客户节省实现的成本和时间。
　　为了让客户更方便地走完实现流程，ARM11处理器采用了易于综合的流水线结构，并和常用的综合工具以及RAM compiler良好结合，确保了客户可以成功并迅速的达到时序收敛。目前已有的ARM11处理器在不包含Cache的情况下面积小于2.7mm2，对于当前复杂的SoC设计来说，如此小的die size对芯片成本的降低是极其重要的。ARM11处理器在很多方面为软件开发者带来便利。一方面，它包含了更多的多媒体处理指令来加速视频和音频处理；另一方面，它的新型存储器系统进一步提高了操作系统的性能；此外，还提供了新指令来加速实时性能和中断的响应。
　　再次，目前有很多应用要求多处理器的配置（多个ARM内核，或ARM+DSP的组合），ARM11处理器从设计伊始就注重更容易地与其他处理器共享数据，以及从非ARM的处理器上移植软件。此外，ARM还开发了基于ARM11系列的多处理器系统——MPCORE（由二个到四个ARM11内核组成）。
优秀的性能
　　ARM11处理器的超强性能是由一系列的架构特点所决定的。ARMv6—决定性能的基础ARMv6架构决定了可以达到高性能处理器的基础。
　　总的来说，ARMv6架构通过以下几点来增强处理器的性能：
　　•多媒体处理扩展
　　使MPEG4编码/解码加快一倍
　　音频处理加快一倍
　　•增强的Cache结构
　　实地址Cache
　　减少Cache的刷新和重载
　　减少上下文切换的开销
　　•增强的异常和中断处理
　　使实时任务的处理更加迅速= 支持Unaligned和Mixed-endian数据访问
　　使数据共享、软件移植更简单，也有利于节省存储器空间
　　对绝大多数应用来说，ARMv6保持了100%的二进制向下兼容，使用户过去开发的程序可以进一步继承下去。ARMv6 保持了所有过去架构中的T（Thumb指令）和E（DSP指令）扩展，使代码压缩和DSP处理特点得到延续；为了加速Java代码执行速度的ARM Jazalle技术也继续在ARMv6架构中发挥重要作用。
ARM11处理器的内核特点
　　ARM11处理器是为了有效的提供高性能处理能力而设计的。在这里需要强调的是，ARM并不是不能设计出运行在更高频率的处理器，而是，在处理器能提供超高性能的同时，还要保证功耗、面积的有效性。ARM11优秀的流水线设计是这些功能的重要保证。