x86架构与ARM架构

x86架构与ARM架构 总是听说"x86",但不知道什么是"x86",目前市场上用的计算机都是基于x86技术上做成的.所谓的"x86"是一个intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合,X与处理器没有任何关系，它是一个对所有x86系统的简单的通配符定义，例如:i386, 586,奔腾(pentium)。由于早期intel的CPU编号都是如8086,80286来编号,由于这整个系列的CPU都是指令兼容的,所以都用X86来标识所使用的指令集合如今的奔腾,P2,P4,赛扬系列都是支持X86指令系统的,所以都属于X86家族 X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的，美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU--i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令，同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片系列数学协处理器则另外使用X87指令，以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下简为P4)系列，但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集，所以它的CPU仍属于X86系列。 另外除Intel公司之外，AMD和Cyrix等厂家也相继生产出能使用X86指令集的CPU，由于这些CPU能运行所有的为Intel CPU所开发的各种软件，所以电脑业内人士就将这些CPU列为Intel的CPU兼容产品。由于Intel X86系列及其兼容CPU都使用X86指令集，所以就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。当然在目前的台式(便携式)电脑中并不都是使用X86系列CPU，部分服务器和苹果(Macintosh)机中还使用美国DIGITAL(数字)公司的Alpha 61164和PowerPC 604e系列CPU。 英特尔推出X86架构已满20年了，同486相比，Pentium向前迈进了一大步， 而P?的前进步伐则没有这么大了，X86 CPU的发展似乎已到了尽头。 英特尔非常清楚，是X86指令集限制了CPU性能的进一步提高，因此，他们正同惠普一道努力开发下一代指令集架构(Instruction Set Architecture ，ISA): EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing，显性并行指令计算)。对 英特尔而言， IA,64(英特尔的64位架构)是下一个10到15年的架构。新的ISA将使英特尔摆脱X86架构的限制，从而设计出超越所有现有RISC CPU和X86 CPU的新型处理器。 那么EPIC的先进之处在什么地方呢,为什么英特尔会放弃使它成为芯片巨人的X86架构呢, IA,32的问题 我们知道，师可以通过提高每个时钟的指令执行数来提高性能，英特尔新的指令集的首要目的在于，让指令更容易解码，更容易并行执行。这样就可以不受限制地开发新型处理器。 但是，对工程师而言，兼容8086的X86指令集一直是必须完成的任务。毕竟，兼容前代产品是使英特尔成长壮大起来的关键因素，而且还可以保护用户原先的投资和使用数以百万计应用软件。既然如此，为什么又要放弃整个X86指令集重新开始呢,X86的不足在什么地方, (1)可变的指令长度 X86指令的长度是不定的，而且有几种不同的格式，结果造成X86 CPU的解码工作非常复杂，为了提高CPU的工作频率，不得不延长CPU中的流水线，而过长的流水线在分支预测出错的情况下，又会带来CPU工作停滞时间较长的弊端。 (2)寄存器的贫乏 X86指令集架构只有8个通用寄存器，而且实际只能使用6个。这种情况同现代的超标量CPU极不适应，虽然工程师们采用寄存器重命名的技术来弥补这个缺陷，但造成了CPU过于复杂，流水线过长的局面。 (3)内存访问 X86指令可访问内存地址，而现代RISC CPU则使用LOAD/STORE模式，只有LOAD和STORE指令才能从内存中读取数据到寄存器，所有其他指令只对寄存器中的操作数计算。在目前CPU的速度是内存速度的5倍或5倍以上的情况下，后一种工作模式才是正途。 (4)浮点堆栈 X87 FPU是目前最慢的FPU，主要的原因之一就在于X87指令使用一个操作数堆栈。如果没有足够多的寄存器进行计算，你就不得不使用堆栈来存放数据，这会浪费大量的时间来使用FXCH指令(即把正确的数据放到堆栈的顶部)。 (5)4GB限制 这似乎不是问题，但是，在6年前，主流PC只有4MB内存，而目前的绝大部分PC装备了64MB以上的内存，是以前的16倍，所以，在下一个十年，PC内存突破1GB绝对不会令人惊讶，而且目前的大型服务器已经使用了1GB以上的内存，突破4GB内存的情况很快就会出现。 (6)芯片变大 所有用于提高X86 CPU性能的方法，如寄存器重命名、巨大的缓冲器、乱序执行、分支预测、X86指令转化等等，都使CPU的芯片面积变得更大，也限制了工作频率的进一步提高，而额外集成的这些晶体管都只是为了解决X86指令的问题。 ARM 即Advanced RISC Machines的缩写,既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州SanJoseVLSI技术公司制造。 20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited(后来简称为ARM Limited，ARM公司)。20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。 1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。 目前，采用 ARM技术知识产权( IP )核的微处理器，即我们通常所说的 ARM 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75 ,以上的市场份额， ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 ARM 公司是专门从事基于 RISC 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的 ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权，因此既使得 ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 ARM处理器的三大特点是:耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。 ARM商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴(Partners)。ARM 是设计公司，本身不生产芯片。采用转让许可证，由合作伙伴生产芯片。 当前ARM体系结构的扩充包括: ?Thumb 16位指令集，为了改善代码密度; ?DSP DSP应用的算术运算指令集; ?Jazeller 允许直接执行Java字节码。 ARM处理器系列提供的解决有: ?无线、消费类电子和图像应用的开放平台; ?存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统; ?智能卡和SIM卡的安全应用。 ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲存储器比等价32位代码节省达35,，然而保留了32位系统的所有优势。ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80,。CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。 ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。 当前有5个产品系列 、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。 ——ARM7 1、ARM7系列 优化用于对价位和功耗敏感的消费应用的低功耗32位核，有: ?嵌入式ICE-RT逻辑; ?非常低的功耗; ?三段流水线和冯?诺依曼结构，提供0.9MIPS/MHz。 2、SecurCore SC100特为安全市场设计，带特定的抗拒窜改和反工程的特性。还带灵活的保护单元确保操作系统和应用数据的安全。 3、ARM9系列 高性能和低功耗领先的硬宏单元，带有: ?5段流水线; ?哈佛结构提供1.1MIPS/MHz。 ARM920T和ARM922T内置全性能的MMU、指令和数据cache和高速AMBA总线接口。AMBA片上总线是一个开放标准，已成为SoC构建和IP库开发的事实标准。AMBA先进的高性能总线(AHB)接口现由所有新的ARM核支持，提供开发全综合设计系统。 ARM940T内置指令和数据cache、保护单元和高速AMBA总线接口。 4、ARM9E系列 可综合处理器，带有DSP扩充和紧耦合存储器(TCM)接口，使存储器以完全的处理器速度运转，可直接连接到内核上。 ARM966E-S用于硅片尺寸重要，而对cache没要求的实时嵌入式应用，可配置TCM大小:0、4K、8K、16K，最大达64M。 ARM946E-S内置集成保护单元，提供实时嵌入式操作系统的cache核方案。 ARM926ET-S带Jazelle扩充、分开的指令和数据高速AHB接口及全性能MMU。 VFP9 向量浮点可综合协处理器进一步提高ARM9E处理器性能，提供浮点操作的硬件支持。 5、ARM10系列 硬宏单元，带有: ?64位AHB指令和数据接口; ?6段流水线; ?1.25MIPS/MHz; ?比同等的ARM9器件性能提高50,。 两种新的先进 的节能方式得到了异常低的耗电。VFP10协处理器完善地依从ARM10器件提供高性能的浮点解决方案。 ARM微处理器的应用选型 鉴于ARM微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展，ARM微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于ARM微处理器有多达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以，对ARM芯片做一些对比研究是十分必要的。 以下从应用的角度出发，对在选择ARM微处理器时所应考虑的主要问题做一些简要的探讨。 ARM微处理器内核的选择 从前面所介绍的内容可知，ARM微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户如果希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU(Memory ARM920T、ARM922T、ARM946T、Management Unit)功能的ARM芯片，ARM720T、 Strong-ARM都带有MMU功能。而ARM7TDMI则没有MMU，不支持Windows CE和标准Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系统可运行于ARM7TDMI硬件平台之上。事实上，uCLinux已经成功移植到多种不带MMU的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有上佳现。 S3C4510B即为一款不带MMU的ARM微处理器，可在其上运行uCLinux操作系统。 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了ARM微处理器的处理能力。ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz，ARM9系列微处理器的典型处理速度为1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟频率为100MHz-233MHz，ARM10最高可以达到700MHz。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别为ARM核和USB、UART、DSP、音频等功能部件提供不同频率的时钟。 芯片内存储器的容量 大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如ATMEL的AT91F40162就具有高达2MB的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用这种类型，以简化系统的设计。 片内外围电路的选择 除ARM微处理器核以外，几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器、键盘接口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。