手機處理器架構進化歷程

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)手機CPU處理器架構進化歷程隨著智能手機越來越普及，消費者在選購手機的時候也越來越理性化，除了關心價格和外觀之外，手機的性能也成為了人們最關心的因素，大家都知道，處理器是影響手機性能的最關鍵的因素，像德州儀器、高通、英偉達以及三星等主流的處理器廠商，大家都已經(jīng)耳熟能詳。但是很多人并不知道，其實它們采用的都是同一個架構ARM架構，實際上，處理器采用的架構才是影響處理器性能的關鍵因素。今天，筆者就和大家一起，聊一聊ARM的那些事。ARM架構簡介ARM架構簡介ARM（Adva

2、nced RISC Machine的縮寫）架構，被稱作進階精簡指令集機器，是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設計。由于低成本、高效能、低耗電的特性，ARM處理器非常適用于移動通訊領域。為了大家更好的理解，我們不妨做個比喻，ARM架構就像是一座建筑的結構設計部分，而處理器就相當于一個完整的建筑，只有有了穩(wěn)定的結構作為基礎，才能建造出各式各樣的房子。換句話說，ARM架構只相當于一座建筑的框架，至于最后建造出來的房子長什么樣，舒適度如何，就是由處理器廠商自己決定了。不過有一點需要說明，假如結構的設計值是十層，容納人數(shù)的上限是100人，那么最后建好的房子也不能超

3、過這個上限。這也就是說，采用相同架構的處理器，性能基本上已經(jīng)鎖定在一定的范圍之內(nèi)，不會有本質(zhì)的區(qū)別。所以，看處理器的性能要先看架構。ARM架構ARM授權方式ARM公司是一家知識產(chǎn)權供應商，本身并不參與終端處理器芯片的制造和銷售，而是通過向其它芯片廠商授權設計方案，來獲取收益。ARM提供了多樣的授權方式，ARM公司可以向芯片廠商單純的轉(zhuǎn)讓設計方案的使用及銷售權，比如德州儀器，其旗下的OMAP處理器是在原始ARM架構的基礎上設計的，這種方式費用一般比較低，所以，德州儀器的芯片售價也相對較低。對于一些具備自有設計技術的客戶，他們希望能對原始的ARM架構進行優(yōu)化，以便更好的適應到自己研發(fā)的芯片，這樣就

4、會牽扯到授權架構修改的費用，而且這項費用也是相當昂貴的。比如高通Scropion架構，三星的蜂鳥Hummingbird核心等都是在Cortex-A8的基礎上修改的。一般這些優(yōu)化過的處理器都要比采用原始ARM架構的處理器性能更強。采用ARM架構的品牌ARM公司是全球最大的半導體知識產(chǎn)權核心供應商，目前已經(jīng)在移動電話領域占據(jù)了90%的市場份額。超過100家半導體公司持有不同形式的ARM授權。其中包括Intel、IBM、LG、NEC、SONY、NXP（原PHILIPS）和NS等公司。也有包括微軟、升陽和MRI等一系列知名軟件系統(tǒng)公司。ARM的設計是Acorn電腦公司（Acorn Computers

5、Ltd）于1983年開始的開發(fā)計劃。1985年時開發(fā)出首款內(nèi)核ARM1，經(jīng)過三十年的發(fā)展，如今已經(jīng)發(fā)展到運行速度可達2.5GHz的Crotex-A15核心。接下來筆者就為大家介紹一下ARM架構的發(fā)展歷程。因為ARM9之前的ARM核心基本上都是應用在音樂播放器、游戲機、相機以及計算器等電子產(chǎn)品中，所以這部分筆者就不做過多介紹了，以下筆者著重介紹在智能手機中廣泛應用的ARM9及之后的ARM架構。ARM9 處理器系列ARM9 處理器系列ARM9系列于1997年問世，ARM9處理器系列包括ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM968E-S處理器。ARM926EJ-S 處理器具有一個采用Jaz

6、elle技術的增強型32位RISC CPU、靈活的大小指令和數(shù)據(jù)高速緩存、緊密耦合內(nèi)存(TCM)接口和內(nèi)存管理單元(MMU)。它還提供單獨指令和數(shù)據(jù)AMBAAHB 接口，適合基于多層AHB的系統(tǒng)。ARM926EJ-S處理器可執(zhí)行ARMv5TEJ指令集，其中包括功能得到增強的16 x 32位乘法器，可進行單周期MAC運算，以及16位定點DSP指令，可增強多個信號處理應用程序的性能并支持 Thumb 技術。ARM9內(nèi)核ARM926EJ-S處理器為入門級處理器，可支持完全版操作系統(tǒng)，其中包括 Linux、Windows CE和Symbian。因此，此處理器是眾多需要完整圖形用戶界面的應用的理想之選。

7、ARM926EJ-S被廣泛的應用于智能手機處理器中。其中德州儀器OMAP1系列處理器、高通MSM6*系列處理器以及飛思卡爾、恩智浦半導體等都采用了ARM926EJ-S內(nèi)核。采用ARM926EJ-S內(nèi)核的產(chǎn)品智能手機當中，諾基亞的大部分Symbian S60系統(tǒng)的智能手機，索尼愛立信K系列以及Walkman系列音樂手機，以及明基西門子和LG部分手機都采用了ARM926EJ-S內(nèi)核。采用TI OMAP 1710處理器的手機OMAP 1710是一款采用ARM926EJ-S內(nèi)核的處理器，也是TI公司第一款采用90納米制程的處理器，制程的減小也就意味著工作電壓的下降，OMAP1710已經(jīng)可以在1.051

8、.3V之間動態(tài)調(diào)整，而普通待機狀態(tài)下的耗電量僅為10mAh，在當時來說，可謂節(jié)能高手。OMAP1710最大工作頻率可以達到220MHz，一級緩存已經(jīng)提升為32KB。這樣的性能在當時來說是相當強大的，當年諾基亞大部分智能手機都是采用的這顆核心，這些手機包括：諾基亞6630、6680、6681、E50、E60、E61、E62、E65、E70、N70、N71、N72、N73、N80、N90、N91、N92以及三星的SGH-i600、SGH-i607等，不過現(xiàn)在這樣的性能已經(jīng)明顯過時了。Xscale架構簡介Xscale架構簡介XScale處理器主要用于掌上電腦等便攜設備，它是Intel公司始于ARM

9、v5TE處理器發(fā)展的產(chǎn)品，2006年6月，Intel將其通信及應用處理器業(yè)務出售給Marvell公司。Xscale處理器將Intel處理器技術和ARM體系結構融為一體，致力于為手提式通信和消費電子類設備提供理想的解決方案。并提供全性能、高性價比、低功耗的解決方案，支持16位Thumb指令和集成數(shù)字信號處理（DSP）指令。目前XScale的系列包括：PXA210（代號Sabinal）/PXA25x（代號Cotulla）, PXA26x與PXA27x（代號Bulverde）。其中主要用于智能手機種的處理器為PXA27x。Xscale PXA270硬件結構圖PXA27x系列 (內(nèi)部代號 Bulver

10、de) 包括了PXA270和PXA271-PXA272幾款處理器。PXA270還內(nèi)置了Intel的無線MMX技術，顯著提升多媒體性能，官方說法是312MHz的CPU（PXA270系列中最低鐘頻的產(chǎn)品）將達到520MHz ARM CPU的多媒體處理效能，而鐘頻達到624MHz則可以具備775MHz ARM CPU的表現(xiàn)！。采用Xscale處理器的機型PXA27x最高可達624MHz，采用該處理器的產(chǎn)品主要有HTC Universal、摩托羅拉E680系列、Rokr E2、Rokr E2、Zaurus SL-C1000、3000、3100、3200、Dell Axim x30、x50和 x51系列

11、等。PXA3xx最高可達806GHz，代表機型：Samsung Omnia, Samsung SGH-i780。PXA900代表機型：Blackberry 8700, Blackberry Pearl (8100)ARM11架構簡介ARM11架構簡介ARM11處理器系列所提供的引擎可用于當前生產(chǎn)領域中的很多智能手機；該系列還廣泛用于消費類、家庭和嵌入式應用領域。該處理器的功耗非常低，提供的性能范圍為小面積設計中的350MHz到速度優(yōu)化設計中的1GHz（45納米和65納米）。ARM11處理器軟件可以與以前所有ARM處理器兼容，并引入了用于媒體處理的32位 SIMD、用于提高操作系統(tǒng)上下文切換性能

12、的物理標記高速緩存、強制實施硬件安全性的TrustZone以及針對實時應用的緊密耦合內(nèi)存。ARM11結構圖ARM1136JS發(fā)布于2003年，是針對高性能和高能效的應用而設計的。ARM1136JS是第一個執(zhí)行ARMv6架構指令的處理器，它集成了一條具有獨立的load-store和算術流水線的8級流水線。ARMv6指令包含了針對媒體處理的單指令多數(shù)據(jù)流（SIMD）擴展，采用特殊的設計以改善視頻處理性能。ARM1136JFS就是為了進行快速浮點運算，而在ARM1136JS增加了向量浮點單元。TI OMAP 2處理器德州儀器OMAP2系列處理器采用了ARM1136架構，其中TI OMAP 2420能

13、管理130400萬像素的攝頭和QVGA（240320）分辨率的屏幕，支持藍牙、紅外和高速USB傳輸，兼容A-GPS定位功能，可利用WLAN功能無線上網(wǎng)，支持第三方SD、MMC存儲卡擴展，并可使用SD I/O設備，能處理400萬甚至更高像素的靜態(tài)圖片，能夠記錄30幀/秒的VGA（640480）像素動態(tài)有聲視頻文件，能提供接近Hi-Fi級的3D環(huán)繞音效，支持TV-OUT輸出功能，每秒可以計算200萬個多邊形。代表產(chǎn)品為諾基亞N82、N93、N95等。高通驍龍S1處理器高通驍龍Snapdragon S1是針對當今大眾市場的智能手機所開發(fā)的處理器，該處理器運算速度最高可達1GHz主頻，是全球首款達到1

14、GHz主頻的移動單核產(chǎn)品。采用了65nm工藝并集成Adreno 200圖形處理器（GPU），采用ARM11架構的處理器型號MSM7627/7227(主頻為600-800MHz)和MSM7625/7225(主頻為528MHz)。Tegra處理器Tegra APX 2500芯片的制程是65納米，核心頻率750MHz，并集成256KB的L2緩存。芯片亦內(nèi)建GeForce核心，支持OpenGL ES 2.0和Direct3D Mobile標準。APX 2500屬于ARM 11 MPCore架構，其低耗電設計，使手提電話可以長時間播放音樂或高清影片。此外，它支持720p的MPEG-4與H.264/MPE

15、G-4 AVC的解碼。輸出方面，它支持HDMI 1.2和雙顯示輸出。之后推出的Tegra APX 2600在APX 2500基礎上增強了對NAND閃存的支持。2009年微軟推出的Zune HD中使用了Tegra APX 2600芯片。Tegra 600和Tegra 650兩款型號，整合ARM 11 MP Core、影音處理器，Tegra 600支持720p H.264和VC-1影片解碼，Tegra 650更支持1080p影片解碼。該系列目前已停產(chǎn)。ARM Cortex-A5架構簡介ARM Cortex-A5架構簡介ARM公司在經(jīng)典處理器ARM11以后的產(chǎn)品改用Cortex命名，并分成A、R和M

16、三類，旨在為各種不同的市場提供服務。Cortex系列屬于ARMv7架構，這是ARM公司最新的指令集架構。ARMv7架構定義了三大分工明確的系列：“A”系列面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應用；“R”系列針對實時系統(tǒng)；“M”系列對微控制器。由于應用領域不同，基于v7架構的Cortex處理器系列所采用的技術也不相同，基于v7A的稱為Cortex-A系列，基于v7R的稱為Cortex-R系列，基于v7M的稱為Cortex-M系列。Cortex-A5是Cortex-A家族中最低端的，其特點是功耗較低，單位功耗的效能很高，性能優(yōu)于ARM9和ARM11，適合應用在千元級的低端產(chǎn)品市場。Cortex-

17、A5結構圖Cortex-A5內(nèi)部核心數(shù)目1-4核可選，同時與Cortex-A8一樣內(nèi)部使用了TrustZone安全技術以及NEON多媒體處理引擎，并能與 Cortex-A8/A9處理器實現(xiàn)完全的應用兼容.采用四核配置時，SOC芯片內(nèi)部還可搭配Mail GPU或由用戶按需求配用PowerVR MBX/SGX GPU。Cortex-A5架構功耗、性能、面積Cortex-A5處理器和Cortex-A8與Cortex-A9一樣基于ARM V7架構，采用40nm低功耗制程技術制作，默認工作電壓1.1V,單核核心頻率480MHz，四核核心頻率可達1GHz，含緩存的核心面積最小僅1平方毫米，一級緩存容量最大

18、64KB,功耗/頻率比參數(shù)為0.12mW/MHz。相比之下Cortex-A8處理器則采用65nm制程工藝制作，核心頻率650MHz（65nmLP工藝）/1.1GHz（65nm GP工藝），內(nèi)建二級緩存，二級緩存最大容量為1MB，一級緩存同為最大64KB.功耗/頻率比參數(shù)為0.59/0.45mW/MHz。高通驍龍S1處理器高通驍龍S1部分處理器采用了Cortex-A5架構，其中MSM7627A/7227A(主頻為0.8-1.0GHz)和MSM7625A/7225A(主頻為0.6-0.8GHz)。ARM Cortex-A8架構簡介ARM Cortex-A8架構簡介ARM Cortex-A8處理器是

19、第一款基于ARMv7架構的應用處理器，Cortex-A8處理器的速率可以在600MHz到超過1GHz的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能夠滿足那些需要工作在300mW以下的功耗優(yōu)化的移動設備的要求；以及滿足那些需要2000 Dhrystone MIPS的性能優(yōu)化的消費類應用的要求。Cortex-A8處理器是ARM的第一款超標量處理器，具有提高代碼密度和性能的技術，用于多媒體和信號處理的NEON技術，以及用于高效地支持預編譯和即時編譯Java及其他字節(jié)碼語言的Jazelle運行時間編譯目標（RCT）技術。Cortex-A8結構圖TI OMAP3系列處理器采用了ARM Cortex-A8架構，可提供比基于ARM 11

20、的處理器多至三倍的性能增益，同時使得3G手持終端具有可與筆記本電腦媲美的生產(chǎn)力以及先進的娛樂功能。作為業(yè)界第一個將采用65nm CMOS工藝設計的應用處理器，OMAP 3430在降低內(nèi)核電壓并增加了降低功耗的特性的同時比以前的OMAP處理器系列具有更高的工作頻率。OMAP 3430的代表產(chǎn)品為摩托羅拉里程碑、XT711、三星I8910、諾基亞N900、palm pre等?？梢赃\行在800MHz的處理器OMAP 3440的代表產(chǎn)品則為摩托羅拉XT720，Archos 5等。TI OMAP 3xxx處理器OMAP 36x系列同樣采用了ARM Cortex-A8架構，不過應用了更先進的45納米制造工

21、藝，其中OMAP 3630主頻720MHz，OMAP 3640主頻1GHz。集成了PowerVR SGX530 GPU。德州儀器OMAP 36x系列的代表產(chǎn)品有摩托羅拉Droid X、Droid 2/里程碑2、Defy/ME525、Defy+，Archos 7，諾基亞N9等。ARM Cortex-A8 衍生品ARM Cortex-A8 衍生品高通Scorpion架構Scorpion（天蝎座）是高通自家設計的基于Cortex-A8架構的處理器架構，并使用ARM v7的指令集，具備了13階load/store管線，還有兩個整數(shù)處理管線，目標時脈是設定在1GHz。至于Scorpion中的SIMD資料

22、路徑，不用時可關掉一半，效能會好一些。目前已有HTC Desire、HTC HD2、Sony Ericsson X10、Acer Liquid加入Snapdragon陣營。Dell的平板電腦Stream采用第一代Snapdragon。第二代Snapdragon芯片制程從65納米進入45納米，時脈也從1GHz提升至1.3GHz。高通驍龍Snapdragon S2產(chǎn)品系列高通驍龍Snapdragon S2全部采用45nm工藝制程，主頻提升至1.4GHz，集成Adreno205 GPU，支持HSPA+高速網(wǎng)絡，以及支持720p高清視頻播放。并且功耗相比第一代處理器降低30%。高通驍龍Snapdrag

23、on S2是針對高端單核智能手機而設計的。其特點在于擁有最新設計和優(yōu)化的多媒體子系統(tǒng)。整體性能以及電源管理能力上都有了很大的提升。MSM8655/8255為1-1.4GHz的Scorpion處理器，用于高端單核智能手機。代表機型：索尼愛立信LT18i和HTC Desire S。MSM7630/7230為0.8GHz的Scorpion處理器，雖然頻率不高，但由于采用了新的工藝和設計，性能上比第一代1GHz的處理器性能更強。代表機型:華為U8800。高通驍龍Snapdragon S3產(chǎn)品系列高通驍龍Snapdragon S3為1.2-1.5GHz雙核Scorpion處理器，依然采用了45nm工藝，

24、由于采用異步的處理方式，在能耗方面比其他的雙核處理器會有比較明顯的優(yōu)勢。MSM8660/8260采用了雙核Scorpion處理器，主頻1.2-1.5GHz。用于高端雙核智能手機，代表機型HTC Sensation和小米手機。三星Hummingbird核心三星蜂鳥hummingbird核心同樣是在cortex-A8基礎上，進行修改增強的一款核心，采用這款核心的代表產(chǎn)品便是三星S5PC110/S5PV210蘋果A4核心。而hummingbird核心也正是三星和蘋果合作研發(fā)而來。在實測性能上，較其它普通A8核心的CPU 相比，擁有了成倍的增長。三星蜂鳥hummingbird處理器三星S5PC110/

25、S5PV210可以說是世界上最強的cortex-A8架構方案芯片，它在原cortex-A8的基礎上，進行了大幅度的優(yōu)化，在性能上也獲得了大幅度的增長，基本上，能夠達到同等架構的CPU效能的1倍以上。采用該處理器的機型有三星I9000，魅族M9等。蘋果A4處理器蘋果A4處理器蘋果iPhone 4和蘋果iPad以及iTouch 4都采用了這個和三星S5PC110處理器相近的A4處理器，不過蘋果作了更多的優(yōu)化，尤其是蘋果A4將負責視頻硬解的VXD370改成了 VXD375，GPU和內(nèi)存的直連也令PowerVR 535的實際表現(xiàn)要超越三星S5PC110的PowerVR 540處理器。但歸根結底，蘋果A

26、4處理器還是一個基于ARM Cortex-A8核心的高性能處理器。ARM Cortex-A9架構ARM Cortex-A9架構Cortex-A9是性能很高的ARM處理器，可實現(xiàn)受到廣泛支持的ARMv7體系結構的豐富功能。Cortex-A9 處理器的設計旨在打造最先進的、高效率的、長度動態(tài)可變的、多指令執(zhí)行超標量體系結構，提供采用亂序猜測方式執(zhí)行的 8 階段管道處理器，憑借范圍廣泛的消費類、網(wǎng)絡、企業(yè)和移動應用中的前沿產(chǎn)品所需的功能，它可以提供史無前例的高性能和高能效。ARM Cortex-A9 性能、功耗和面積Cortex-A9 微體系結構既可用于可伸縮的多核處理器（Cortex-A9 MPC

27、ore 多核處理器），也可用于更傳統(tǒng)的處理器（Cortex-A9 單核處理器）?？缮炜s的多核處理器和單核處理器支持 16、32 或 64KB 4 路關聯(lián)的 L1 高速緩存配置，對于可選的 L2 高速緩存控制器，最多支持8MB的L2高速緩存配置，它們具有極高的靈活性，均適用于特定應用領域和市場。TI OMAP 44xx處理器2011年推出的OMAP 4430是德州儀器公司的首個雙核處理器型號，采用雙核心ARM Cortex-A9 MP架構，相比Cortex A8內(nèi)核整體提升了1.5倍的性能。OMAP 4430在同級雙核里被喻為性能最優(yōu)秀的處理器，擁有Tegra 2沒有的NEON模塊，擁有比E42

28、10更小的發(fā)熱量，擁有比MSM8260更優(yōu)秀的構架，所以擁有“怪獸級”雙核處理器之稱。OMAP 4430的代表產(chǎn)品有LG Optimus 3D，摩托羅拉里程碑3、XT883，三星 i9100G，黑莓PlayBook等。Tegra 2芯片在CES2010展會上，NVIDIA發(fā)布了全新的Tegra 2平臺，這是全球首款雙核處理器，將智能手機帶進了雙核時代，Tegra 2跳過了ARM Cortex-A8的階段，直接采用ARM Cortex-A9核心，采用臺積電的40納米制程制造，耗電量低于之前產(chǎn)品，Tegra 2可實現(xiàn)更快Web瀏覽速度、更短響應時間以及更高整體性能，而且還支持高清HD視頻播放和HD

29、MI接口。Tegra 3四核處理器Tegra 3雖然名為“四核”，但是實際上內(nèi)部包含了5個CPU核心，其中一個被稱為“Companion CPU core”協(xié)核心。NVIDIA將這種架構稱為vSMP（可變對稱多處理，Variable Symmetric Multiprocessing）。Tegra 3中的5個CPU核心均為Cortex-A9架構。不過，其中四個主要核心最高可支持1.4GHz主頻。而最后一個協(xié)核心最高頻率僅500MHz。ARM Cortex-A15架構ARM Cortex-A15架構在Cortex-A9雙核處理器初見端倪之后，ARM再次給大家?guī)眢@喜，那就是ARM可能會推出一款四

30、核芯片，最快處理速度能夠達到2.5GHz，初步得知，這款處理器型號為Cortex-A15。 在還未上市的智能手機芯片當中，Cortex-A15可能是目前聽說的主頻最高的雙核芯片了，據(jù)說，這款芯片除了將手機CPU運行速度提升至2.5GHz以外，還可以支持超過4GB的內(nèi)存，能力相當?shù)捏@人，不過可能離我們還有一段距離，畢竟如此強勁的芯片的只有在更加強悍的硬件、軟件的支持下，才能夠正常的發(fā)揮作用。ARM Cortex-A15ARM Cortex-A15 MPCore 處理器提供前所未有的處理功能，與低功耗特性相結合，在 ARM 的各種新市場和現(xiàn)有市場上成就了卓越的產(chǎn)品，這些市場包括移動計算、高端數(shù)字家電、服務器和無線基礎結構。Cortex-A15 MPCore 處理器是 Cortex-A 系列處理器