手机处理器架构进化历程

手机CPU处理器架构进化历程随着智能手机越来越普及，消费者在选购手机的时候也越来越理性化，除了关心价格和外观之外，手机的性能也成为了人们最关心的因素，大家都知道，处理器是影响手机性能的最关键的因素，像德州仪器、高通、英伟达以及三星等主流的处理器厂商，大家都已经耳熟能详。但是很多人并不知道，其实它们采用的都是同一个架构——ARM架构，实际上，处理器采用的架构才是影响处理器性能的关键因素。今天，笔者就和大家一起，聊一聊ARM的那些事。ARM架构简介ARM架构简介ARM（AdvancedRISCMachine的缩写）架构，被称作进阶精简指令集机器，是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于低成本、高效能、低耗电的特性，ARM处理器非常适用于移动通讯领域。为了大家更好的理解，我们不妨做个比喻，ARM架构就像是一座建筑的结构设计部分，而处理器就相当于一个完整的建筑，只有有了稳定的结构作为基础，才能建造出各式各样的房子。换句话说，ARM架构只相当于一座建筑的框架，至于最后建造出来的房子长什么样，舒适度如何，就是由处理器厂商自己决定了。不过有一点需要说明，假如结构的设计值是十层，容纳人数的上限是100人，那么最后建好的房子也不能超过这个上限。这也就是说，采用相同架构的处理器，性能基本上已经锁定在一定的范围之内，不会有本质的区别。所以，看处理器的性能要先看架构。ARM架构ARM授权方式ARM公司是一家知识产权供应商，本身并不参与终端处理器芯片的制造和销售，而是通过向其它芯片厂商授权设计方案，来获取收益。ARM提供了多样的授权方式，ARM公司可以向芯片厂商单纯的转让设计方案的使用及销售权，比如德州仪器，其旗下的OMAP处理器是在原始ARM架构的基础上设计的，这种方式费用一般比较低，所以，德州仪器的芯片售价也相对较低。对于一些具备自有设计技术的客户，他们希望能对原始的ARM架构进行优化，以便更好的适应到自己研发的芯片，这样就会牵扯到授权架构修改的费用，而且这项费用也是相当昂贵的。比如高通Scropion架构，三星的蜂鸟Hummingbird核心等都是在Cortex-A8的基础上修改的。一般这些优化过的处理器都要比采用原始ARM架构的处理器性能更强。采用ARM架构的品牌ARM公司是全球最大的半导体知识产权核心供应商，目前已经在移动电话领域占据了90%的市场份额。超过100家半导体公司持有不同形式的ARM授权。其中包括Intel、IBM、LG、NEC、SONY、NXP（原PHILIPS）和NS等公司。也有包括微软、升阳和MRI等一系列知名软件系统公司。ARM的设计是Acorn电脑公司（AcornComputersLtd）于1983年开始的开发计划。1985年时开发出首款内核ARM1，经过三十年的发展，如今已经发展到运行速度可达2.5GHz的Crotex-A15核心。接下来笔者就为大家介绍一下ARM架构的发展历程。因为ARM9之前的ARM核心基本上都是应用在音乐播放器、游戏机、相机以及计算器等电子产品中，所以这部分笔者就不做过多介绍了，以下笔者着重介绍在智能手机中广泛应用的ARM9及之后的ARM架构。ARM9处理器系列ARM9处理器系列ARM9系列于1997年问世，ARM9处理器系列包括ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM968E-S处理器。ARM926EJ-S™处理器具有一个采用Jazelle®技术的增强型32位RISCCPU、灵活的大小指令和数据高速缓存、紧密耦合内存(TCM)接口和内存管理单元(MMU)。它还提供单独指令和数据AMBA®AHB™接口，适合基于多层AHB的系统。ARM926EJ-S处理器可执行ARMv5TEJ指令集，其中包括功能得到增强的16x32位乘法器，可进行单周期MAC运算，以及16位定点DSP指令，可增强多个信号处理应用程序的性能并支持Thumb®技术。ARM9内核ARM926EJ-S处理器为入门级处理器，可支持完全版操作系统，其中包括Linux、WindowsCE和Symbian。因此，此处理器是众多需要完整图形用户界面的应用的理想之选。ARM926EJ-S被广泛的应用于智能手机处理器中。其中德州仪器OMAP1系列处理器、高通MSM6***系列处理器以及飞思卡尔、恩智浦半导体等都采用了ARM926EJ-S内核。采用ARM926EJ-S内核的产品智能手机当中，诺基亚的大部分SymbianS60系统的智能手机，索尼爱立信K系列以及Walkman系列音乐手机，以及明基西门子和LG部分手机都采用了ARM926EJ-S内核。采用TIOMAP1710处理器的手机OMAP1710是一款采用ARM926EJ-S内核的处理器，也是TI公司第一款采用90纳米制程的处理器，制程的减小也就意味着工作电压的下降，OMAP1710已经可以在1.05—1.3V之间动态调整，而普通待机状态下的耗电量仅为10mAh，在当时来说，可谓节能高手。OMAP1710最大工作频率可以达到220MHz，一级缓存已经提升为32KB。这样的性能在当时来说是相当强大的，当年诺基亚大部分智能手机都是采用的这颗核心，这些手机包括：诺基亚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，不过现在这样的性能已经明显过时了。Xscale架构简介Xscale架构简介XScale处理器主要用于掌上电脑等便携设备，它是Intel公司始于ARMv5TE处理器发展的产品，2006年6月，Intel将其通信及应用处理器业务出售给Marvell公司。Xscale处理器将Intel处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。并提供全性能、高性价比、低功耗的解决方案，支持16位Thumb指令和集成数字信号处理（DSP）指令。目前XScale的系列包括：PXA210（代号Sabinal）/PXA25x（代号Cotulla）,PXA26x与PXA27x（代号Bulverde）。其中主要用于智能手机种的处理器为PXA27x。XscalePXA270硬件结构图PXA27x系列(内部代号Bulverde)包括了PXA270和PXA271-PXA272几款处理器。PXA270还内置了Intel的无线MMX技术，显著提升多媒体性能，官方说法是312MHz的CPU（PXA270系列中最低钟频的产品）将达到520MHzARMCPU的多媒体处理效能，而钟频达到624MHz则可以具备775MHzARMCPU的表现！。采用Xscale处理器的机型PXA27x最高可达624MHz，采用该处理器的产品主要有HTCUniversal、摩托罗拉E680系列、RokrE2、RokrE2、ZaurusSL-C1000、3000、3100、3200、DellAximx30、x50和x51系列等。PXA3xx最高可达806GHz，代表机型：SamsungOmnia,SamsungSGH-i780。PXA900代表机型：Blackberry8700,BlackberryPearl(8100)ARM11架构简介ARM11架构简介ARM11处理器系列所提供的引擎可用于当前生产领域中的很多智能手机；该系列还广泛用于消费类、家庭和嵌入式应用领域。该处理器的功耗非常低，提供的性能范围为小面积设计中的350MHz到速度优化设计中的1GHz（45纳米和65纳米）。ARM11处理器软件可以与以前所有ARM处理器兼容，并引入了用于媒体处理的32位SIMD、用于提高操作系统上下文切换性能的物理标记高速缓存、强制实施硬件安全性的TrustZone以及针对实时应用的紧密耦合内存。ARM11结构图ARM1136J－S发布于2003年，是针对高性能和高能效的应用而设计的。ARM1136J－S是第一个执行ARMv6架构指令的处理器，它集成了一条具有独立的load-store和算术流水线的8级流水线。ARMv6指令包含了针对媒体处理的单指令多数据流（SIMD）扩展，采用特殊的设计以改善视频处理性能。ARM1136JF－S就是为了进行快速浮点运算，而在ARM1136J－S增加了向量浮点单元。TIOMAP2处理器德州仪器OMAP2系列处理器采用了ARM1136架构，其中TIOMAP2420能管理130—400万像素的摄头和QVGA（240×320）分辨率的屏幕，支持蓝牙、红外和高速USB传输，兼容A-GPS定位功能，可利用WLAN功能无线上网，支持第三方SD、MMC存储卡扩展，并可使用SDI/O设备，能处理400万甚至更高像素的静态图片，能够记录30帧/秒的VGA（640×480）像素动态有声视频文件，能提供接近Hi-Fi级的3D环绕音效，支持TV-OUT输出功能，每秒可以计算200万个多边形。代表产品为诺基亚N82、N93、N95等。高通骁龙S1处理器高通骁龙SnapdragonS1是针对当今大众市场的智能手机所开发的处理器，该处理器运算速度最高可达1GHz主频，是全球首款达到1GHz主频的移动单核产品。采用了65nm工艺并集成Adreno200图形处理器（GPU），采用ARM11架构的处理器型号MSM7627/7227(主频为600-800MHz)和MSM7625/7225(主频为528MHz)。Tegra处理器TegraAPX2500芯片的制程是65纳米，核心频率750MHz，并集成256KB的L2缓存。芯片亦内建GeForce核心，支持OpenGLES2.0和Direct3DMobile标准。APX2500属于ARM11MPCore架构，其低耗电设计，使手提电话可以长时间播放音乐或高清影片。此外，它支持720p的MPEG-4与H.264/MPEG-4AVC的解码。输出方面，它支持HDMI1.2和双显示输出。之后推出的TegraAPX2600在APX2500基础上增强了对NAND闪存的支持。2009年微软推出的ZuneHD中使用了TegraAPX2600芯片。Tegra600和Tegra650两款型号，整合ARM11MPCore、影音处理器，Tegra600支持720pH.264和VC-1影片解码，Tegra650更支持1080p影片解码。该系列目前已停产。ARMCortex-A5架构简介ARMCortex-A5架构简介ARM公司在经典处理器ARM11以后的产品改用Cortex命名，并分成A、R和M三类，旨在为各种不同的市场提供服务。Cortex系列属于ARMv7架构，这是ARM公司最新的指令集架构。ARMv7架构定义了三大分工明确的系列：“A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用；“R”系列针对实时系统；“M”系列对微控制器。由于应用领域不同，基于v7架构的Cortex处理器系列所采用的技术也不相同，基于v7A的称为Cortex-A系列，基于v7R的称为Cortex-R系列，基于v7M的称为Cortex-M系列。Cortex-A5是Cortex-A家族中最低端的，其特点是功耗较低，单位功耗的效能很高，性能优于ARM9和ARM11，适合应用在千元级的低端产品市场。Cortex-A5结构图Cortex-A5内部核心数目1-4核可选，同时与Cortex-A8一样内部使用了TrustZone安全技术以及NEON多媒体处理引擎，并能与Cortex-A8/A9处理器实现完全的应用兼容.采用四核配置时，SOC芯片内部还可搭配MailGPU或由用户按需求配用PowerVRMBX/SGXGPU。Cortex-A5架构功耗、性能、面积Cortex-A5处理器和Cortex-A8与Cortex-A9一样基于ARMV7架构，采用40nm低功耗制程技术制作，默认工作电压1.1V,单核核心频率480MHz，四核核心频率可达1GHz，含缓存的核心面积最小仅1平方毫米，一级缓存容量最大64KB,功耗/频率比参数为0.12mW/MHz。相比之