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「硬见小百科」很全的CPU处理器技术架构解析

原标题:「硬闻小百科」很全的CPU处理器技术架构解析

RISC(精简指令集计算机)是一种继续执行较少类型计算机指令的微处理器,起源于80年代的MIPS主机(即RISC机),RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来,它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令,即MIPS)。因为计算机继续执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件,计算机指令集越大就会使微处理器更复杂,执行操作也会更慢。

性能特点一:由于指令集简化后,流水线以及常用指令均能用硬件执行;

性能特点二:使用大量的寄存器,使大部分指令操作都在寄存器之间展开,提高了处理速度;

性能特点三:采用缓存—主机—外存三级存储结构,使取数与存数指令分开执行,使处理器可以已完成尽可能多的工作,且不因从存储器读取信息而放慢处理速度。

其中ARM/MIPS/PowerPC均是基于精简指令集机器处理器的架构;

X86则是基于复杂指令集的架构,Atom是x86或者是x86指令集的精简版。

根据各种新闻,Android在支持各种处理器的现状:

  • ARM+Android 最早发展、完备的支持,主要在手机市场、上网本、智能等市场;
  • X86+Android 有比较完善的发展。有atom+Android的上网本,且支
  • Atom+Android 和 Atom+Window7双系统;
  • MIPS+Android 目前在重制、完备过程中;
  • Powpc+Android 目前在重制、完善过程中。

ARM系列处理器

ARM架构,过去称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,更早于称作:Acorn RISC Machine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,其广泛地用于在许多嵌入式系统设计。由于节约能源的特点,ARM处理器非常限于于行动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。

在今日,ARM家族占到了所有32位嵌入式处理器75%的比例,使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看见,从可携式装置(PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏,和计算机)到电脑外设(硬盘、桌上型路由器)甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的不存在。在此还有一些基于ARM设计的衍生产品,最重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。

优势:价格低;能耗较低;

ARM 授权方式:ARM 公司本身并不靠自有的设计来生产或出售 CPU ,而是将处理器架构许可给有兴趣的厂家。

生产厂商:TI (德州仪器)/Samsung(三星)/Freescale(飞思卡尔)/Marvell(马维尔)/Nvidia(英伟达)

ARM 获取了多样的许可条款,包括售价与散播性等项目。对于授权方来说,ARM 提供了 ARM 内核的统合硬件叙述,包含原始的软件开发工具(编译器、debugger、SDK),以及针对内含 ARM CPU 硅芯片的销售权。对于无晶圆厂的许可方来说,其希望能将 ARM 内核整合到他们自行研发的芯片设计中,通常就仅针对获得一份生产准备就绪的智财核心技术(IP Core)认证。

对这些客户来说,ARM 会发布所选的 ARM 核心的闸极电路图,连同抽象化模拟模型和测试程式,以帮助设计整合和检验。市场需求更多的客户,还包括整合元件制造商(IDM)和晶圆厂家,就自由选择可制备的RTL(暂存器移往层级,如 Verilog)形式来获得处理器的智财权(IP)。

借着可统合的 RTL,客户就有能力能展开架构上的最佳化与加强。这个方式能让设计者已完成额外的设计目标(如高波动频率、低能量耗损、指令集延伸等)而不会受限于无法更动的电路图。虽然 ARM 并不授予许可方再次出售 ARM 架构本身,但授权方可以给定地出售制品(如芯片元件、评估板、原始系统等)。

商用晶圆厂是类似例子,因为他们不仅授予能出售包含 ARM 内核的硅晶成品,对其它客户来讲,他们通常也保有移植版 ARM 内核的权利。

X86系列/Atom处理器

xx86或80x86是英代尔Intel首先研发制造的一种微处理器体系结构的泛称。

x86架构是最重要地星型指令长度的CISC(复杂指令集电脑,Complex Instruction Set Computer)。

Intel Atom(中文:凌动,研发代号:Silverthorne)是Intel的一个超低电压处理器系列。处理器使用45纳米工艺生产,构建4700万个晶体管。L2内存为512KB,反对SSE3指令集,和VT虚拟化技术(部份型号)。

现时,Atom处理器系列有6个型号,全部都是归属于Z500系列。它们分别是Z500、Z510、Z520、Z530、Z540和Z550。低于端的Z500内核频率是800MHz,FSB则是400MHz。而最高速的Z550,内核频率则有2.0GHz,FSB则是533MHz。

从Z520开始,所有的处理器都反对超线程技术,但只增加了不到10%的耗电。双内核版本为N系列,依然采用945GC芯片组。双内核版本仍会支持超线程技术,所以系统不会表明出有4个逻辑处理器。这个版本的两个内核并非采用本地设计,只是简单的将两个单内核封装起来。

MIPS系列处理器

MIPS是世界上很风行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages),其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。

它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上研发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司使用构成各种工作站和计算机系统。

MIPS技术公司是美国知名的芯片设计公司,它采用精简指令系统计算出来结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算出来结构(CISC)相比,RISC具有设计更简单、设计周期更较短等优点,并可以应用更多先进的技术,研发更快的下一代处理器。

MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一,新的架构集成了所有原来MIPS指令集,并增加了许多更强劲的功能。MIPS自己只展开CPU的设计,之后把设计方案许可给客户,使得客户能够制造出高性能的CPU。

  • 1984年,MIPS计算机公司正式成立,开始设计RISC处理器;
  • 1986年推出R2000处理器。
  • 1992年,SGI并购了MIPS计算机公司。
  • 1988年推R3000处理器。
  • 1991年推出第一款64位商用微处器R4000;之后又陆续发售R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型号。
  • 1998年,MIPS瓦解SGI,成为MIPS技术公司;随后,MIPS公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统;1998年-MIPS科技股票在美国纳斯达克股票交易所公开发表上市。
  • 1999年,MIPS公司公布MIPS32和MIPS64架构标准,为未来MIPS处理器的研发奠下了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集,并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续研发了高性能、低功耗的32位处理器内核(core)MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS64 5Kc。
  • 2000年,MIPS公司公布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。
  • 2007年8月16日-MIPS科技宣布,中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集许可。
  • 2007年12月20日-MIPS科技宣布,扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可自定义化系统单芯片(SoC)核心“MIPS32 24KEc Pro”授权。

PowerPC系列处理器

PowerPC 是一种精简指令集(RISC)架构的中央处理器(CPU),其基本的设计源于IBM(国际商用机器公司)的IBM PowerPC 601 微处理器POWER架构。二十世纪九十年代,IBM(国际商用机器公司)、Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司开发PowerPC芯片顺利,并生产出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、便利灵活。

PowerPC 处理器有普遍的构建范围,还包括从诸如 Power4 那样的高端服务器 CPU 到嵌入式 CPU 市场(任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC)。

PowerPC 处理器有非常强劲的嵌入式展现出,因为它具备出色的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O,该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常明显的区别。

实时性(Real Time)DSP架构

DSP是微处理器的一种,这种微处理器具备极高的处理速度,因为应用这类处理器的场合拒绝具有很高的实时性(Real Time)。比如通过移动电话进行通话,如果处理速度不快就不能等候对方停止说话,这一方才能通话。如果双方同时通话,因为数字信号处理速度过于,就不能关闭信号连接。在DSP经常出现之前数字信号处理不能依靠MPU(微处理器)来已完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。

因此,直到70年代,有人才明确提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅逗留在教科书上,即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的,其应用领域仅局限於军事、航空航天部门。

90年代DSP发展最快,相继经常出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP科於第五代产品,它与第四代相比,系统集成度更高,将DSP芯核及外围元件综合构建在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手,而且逐渐渗透到人们日常消费领域。

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