手機和平板的芯：ARM處理器前身今世
泡泡網(wǎng)CPU頻道7月9日 伴隨著平板的崛起，移動設(shè)備市場又迎來了新一輪的競賽，ARM芯片不斷向傳統(tǒng)的x86架構(gòu)CPU發(fā)起挑戰(zhàn)，而作為x86機構(gòu)的代表Intel和AMD也在不遺余力的抵制這種滲透。
Intel正在努力的加快Atom的步伐，使其能夠在未來的移動設(shè)備市場占有一定的市場，而AMD針對移動市場于近日推出了新的Z01 APU，專門面向平板市場。
作為中堅力量的ARM則在步步為營，一步一步的將計算市場細分出來，然后逐步攻城略地。
ARM終端產(chǎn)品遍布各個領(lǐng)域
不過談起ARM很多人可能不不是很了解，為什么一個不曾被大眾熟悉的產(chǎn)品，讓業(yè)界巨頭Intel都感到惶恐。
為了讓讀者對現(xiàn)今的計算市場有一個大致的認(rèn)識，此片文章主要為ARM基礎(chǔ)知識的介紹。
ARM的全稱是Advanced RISC Machines，意即高級精簡指令集機器。不過現(xiàn)在ARM它是微處理器設(shè)計廠商，提供高性能、廉價、耗能低的RISC處理器以及相關(guān)軟件和技術(shù)。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費/教育類多媒體、DSP和移動式應(yīng)用等。
ARM將其技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，每個廠商得到的 都是一套少有的ARM相關(guān)技術(shù)及服務(wù)。利用這種合伙關(guān)系，ARM很快成為許多全球性RISC標(biāo)準(zhǔn)的締造者。
ARM到目前為止已經(jīng)生產(chǎn)超過200億個處理器，每天的銷量超過1000萬，是真正意義上的“The Architecture for the Digital World”（數(shù)字世界的體系結(jié)構(gòu)）。
ARM合作伙伴
目前，總共有30家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、NVIDIA、IBM、LG半導(dǎo)體、三星、NEC、德州儀器、高通、SONY、Broadcom等。另外ARM也提供軟件系統(tǒng)方面的服務(wù)，合作伙伴包括微軟、SUN和MRI等一系列知名公司。
1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（IP）的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。
ARM商品模式的強大之處在于它在世界范圍有超過100個的合作伙伴。ARM是設(shè)計公司，本身不生產(chǎn)芯片。采用轉(zhuǎn)讓許可證制度，由合作伙伴生產(chǎn)芯片。
而在上世紀(jì)90年代，受到工藝和市場因素的影響，ARM業(yè)績平平，處理器的出貨量徘徊不前。由于資金短缺，ARM做出了一個意義深遠的決定：自己不制造芯片，只將芯片的設(shè)計方案授權(quán)給其他公司，由它們來生產(chǎn)。正是這個模式，最終使得ARM芯片遍地開花，將封閉設(shè)計的Intel公司置于“人民戰(zhàn)爭”的汪洋大海。
但是進入21世紀(jì)之后，由于手機制造行業(yè)的快速發(fā)展，出貨量呈現(xiàn)爆炸式增長，ARM處理器占領(lǐng)了全球手機市場。2006年，全球ARM芯片出貨量為20億片，2010年預(yù)計將達到45億片。
ARM通過將處理器架構(gòu)授權(quán)給有興趣的廠家。并卻提供了多樣的授權(quán)條款，包括售價與散播性等項目。對于授權(quán)方來說，ARM提供了ARM內(nèi)核的整合硬件敘述，包含完整的軟件開發(fā)工具（編譯器、debugger、SDK），以及針對內(nèi)含ARM CPU硅芯片的銷售權(quán)。對于無晶圓廠的授權(quán)方來說，其希能將ARM內(nèi)核整合到它們自行研發(fā)的芯片設(shè)計中，通常就僅針對取得一份生產(chǎn)就緒的知識產(chǎn)權(quán)的認(rèn)證。對這些客戶來說，ARM會釋出所選的ARM核心的閘極電路圖，連同抽象模擬模型和測試程式，以協(xié)助設(shè)計整合和驗證。需求更多的客戶，包括整合元件制造商（IDM）和晶圓廠家，就選擇可合成的RTL形式來取得處理器的知識產(chǎn)權(quán)。借助可整合的 RTL，客戶就有能力能進行架構(gòu)上的非常好的化與加強。這個方式能讓設(shè)計者完成額外的設(shè)計目標(biāo)而不會受限于無法更動的電路圖。雖然ARM并不授予受權(quán)方再次出售ARM架構(gòu)本身，但受權(quán)方可以任意地出售制品。商用晶圓廠是特殊例子，因為他們不僅授予能出售包含ARM內(nèi)核的硅晶成品，對其它客戶來講，他們通常也保留重制ARM內(nèi)核的權(quán)利。
就像大多數(shù)IP出售方，ARM依照使用價值來決定IP的售價。在架構(gòu)上而言，更低性能的ARM內(nèi)核比更高性能的內(nèi)核擁有較低的授權(quán)費。以硅芯片實作而言，一顆可整合的內(nèi)核要比一顆硬件宏內(nèi)核要來得貴。更復(fù)雜的價位問題來講，持有ARM授權(quán)的商用晶圓廠可以提供更低的授權(quán)價格給他們的晶圓廠客戶。透過晶圓廠自有的設(shè)計技術(shù)，客戶可以更低或是免費的ARM預(yù)付授權(quán)費來取得ARM內(nèi)核。相對于不具備自有設(shè)計技術(shù)的專門半導(dǎo)體晶圓廠，授權(quán)商對每片晶圓多收取了兩至三倍的費用。對中少量的應(yīng)用而言，具備設(shè)計部門的晶圓廠提供較低的整體價格（透過授權(quán)費用的補助）。對于量產(chǎn)而言，由于長期的成本縮減可借由更低的晶圓價格，減少ARM的NRE成本，使得專門的晶圓廠也成了一個更好的選擇。
目前很多半導(dǎo)體公司持有ARM授權(quán)：Atmel、Broadcom、Cirrus Logic、Freescale、Qualcomm、富士通、Intel、IBM，英飛凌科技，任天堂、OKI電氣工業(yè)，三星電子，Sharp，STMicroelectronics，TI德州儀器和VLSI等許多這些公司均擁有各個不同形式的ARM授權(quán)。雖然ARM的授權(quán)項目由保密合約所涵蓋，在智慧財產(chǎn)權(quán)工業(yè)，ARM是廣為人知最昂貴的CPU內(nèi)核之一。單一的客戶產(chǎn)品包含一個基本的ARM內(nèi)核可能就需索取一次高達20萬美元的授權(quán)費用。而若是牽涉到大量架構(gòu)上修改，則費用就可能超過千萬美元。
目前ARM的處理器設(shè)計的范圍非常廣，在這里我們只介紹一些應(yīng)用型處理器，而應(yīng)用型處理器包括經(jīng)典的ARM7/ARM9/ARM11，另外還有現(xiàn)在熱門的Cortex系列，包括Cortex A5/A8/A9，另外ARM還將在未來推出全新的Cortex A15架構(gòu)芯片。
- Cortex-A15，可為新一代移動基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用和要求苛刻的無線基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)用提供性能最高的解決方案
- Cortex-A9實現(xiàn)，可提供800MHz - 2GHz的標(biāo)準(zhǔn)頻率，每個內(nèi)核可提供5000DMIPS的性能
- Cortex-A8單核解決方案，可提供經(jīng)濟有效的高性能，在600MHz - 1GHz 的頻率下，提供的性能超過2000DMIPS
- Cortex-A5低成本實現(xiàn)，在400 - 800MHz的頻率下，提供的性能超過1200DMIPS。
所有Cortex-A處理器均共享共同的體系結(jié)構(gòu)和功能集。這使其成為開放式平臺設(shè)計的非常好的解決方案，因為此時不同設(shè)計之間軟件的兼容性和可移植性最重要。
- ARMv7-A 體系結(jié)構(gòu)
- 對所有操作系統(tǒng)的支持
Linux完整分配 - Android、Chrome、Ubuntu 和 Debian
Linux第三方 - MontaVista、QNX、Wind River
Symbian
Windows CE
需要使用內(nèi)存管理單元的其他操作系統(tǒng)支持
- 指令集支持 - ARM、Thumb-2、Thumb、Jazelle、DSP
- TrustZone安全擴展
- 高級單精度和雙精度浮點支持
- NEON媒體處理引擎
通過提供所需最高性能點和可伸縮性，提供所需能效和硅成本，同時維持完整的軟件兼容性，各種Cortex-A處理器可共同提供設(shè)計靈活性。
SoC（System on a Chip），即片上系統(tǒng)，也就是在一顆芯片上就可以實現(xiàn)一個完整的系統(tǒng)，而ARM芯片正式基于這一設(shè)計，在較小的芯片內(nèi)實現(xiàn)多重復(fù)雜的功能，相比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)它可以實現(xiàn)軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的集成，顯著降低耗電量、減少體積、增加系統(tǒng)功能、提高速度、節(jié)省成本。
在一顆ARM芯片內(nèi)部，除了常規(guī)的中央處理器（CPU）、圖形處理器（GPU）、內(nèi)存控制器、橋接樞紐以外，芯片還可以集成視頻解碼器、音頻解碼器、Modem、GPS、藍牙、3G/4G等功能模塊，相對于x86 PC，使用單一的芯片外接輸入輸出設(shè)備，就可以實現(xiàn)一個完整的計算設(shè)備，所以基于SoC的ARM可以很容易的應(yīng)用于手機、平板電腦等微電子領(lǐng)域。
小型化趨勢
由于ARM芯片的高度整合，成品的體積得到顯著減小，而隨著工藝的發(fā)展，早期芯片性能低下、發(fā)熱量大的問題也得到了極大改善，這也是近年來基于ARM的平板電腦和智能手機風(fēng)起云涌的原因。
另外ARM芯片基于精簡指令集（RISC），使得產(chǎn)品的開發(fā)難度得到降低，開發(fā)周期也得到極大縮短，更具市場競爭力，ARM處理器可以實現(xiàn)較高性能、較小代碼大小、較低功耗和較小硅面積的良好平衡。
ARM9處理器系列為微控制器、DSP和Java應(yīng)用提供單處理器解決方案，從而減小芯片面積、降低復(fù)雜性和功耗，并加快產(chǎn)品上市速度。
ARM9 DSP增強型處理器非常適合需要綜合DSP和微控制器性能的應(yīng)用。ARM9處理器系列包括 ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM968E-S處理器。
ARM9被廣泛用于智能手機、PDA、機頂盒、PMP、電子玩具、數(shù)碼相機、數(shù)碼攝像機等產(chǎn)品解決方案，可為要求苛刻、成本敏感的嵌入式應(yīng)用提供可靠的高性能和靈活性。豐富的DSP擴展使SoC設(shè)計不再需要單獨的DSP。
ARM968E-S面積最小、包含DSP增強功能的ARM9處理器，針對低功耗、數(shù)據(jù)密集型、嵌入式實時應(yīng)用，面積最小、功耗最低的ARM9處理器是眾多實時類型應(yīng)用的理想之選。通過可輕松從標(biāo)準(zhǔn)接口集成的緊密耦合內(nèi)存，該處理器可高效工作。
ARM946E-S具有MPU的DSP增強型高速緩存處理器，針對運行RTOS的實時應(yīng)用，一種具有可選高速緩存接口以及完整的內(nèi)存保護單元的實時處理器。對于大部分代碼位于主存儲器的應(yīng)用，該處理器非常有用，它按需加載到高速緩存中，同時關(guān)鍵的異常處理代碼和數(shù)據(jù)仍本地保留在緊密耦合內(nèi)存中。
ARM926EJ-S具有Java加速、DSP擴展和MMU的應(yīng)用處理器，針對基于操作系統(tǒng)的應(yīng)用，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(yīng)用的理想之選。
ARM9系列技術(shù)特點：
- 基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)
- 高效的5階段管道，可增加吞吐量和提高系統(tǒng)性能
- 提取/解碼/執(zhí)行/內(nèi)存/寫回
- 同時支持ARM和Thumb指令集
- 高效ARM-Thumb交互操作允許非常好的組合性能和代碼密度
- 哈佛體系結(jié)構(gòu)–獨立的指令和數(shù)據(jù)內(nèi)存接口
- 增加了可用內(nèi)存帶寬
- 同時訪問I&D內(nèi)存
- 改進了性能
- 31 x 32位寄存器
- 32位ALU和桶式移位器
- 增強型32位MAC塊
- CoreSight ETM9接口用于增強型調(diào)試和跟蹤功能
- 標(biāo)準(zhǔn)AMBA-AHB接口
- 協(xié)處理器接口
ARM11處理器系列所提供的引擎可用于當(dāng)前生產(chǎn)領(lǐng)域中的大多數(shù)智能手機；該系列還廣泛用于消費、家庭和嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。該處理器的功耗非常低，提供的性能范圍從小面積設(shè)計中的350MHz到速度優(yōu)化設(shè)計中的1GHz（45nm和65nm）。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)上下文切換性能的物理標(biāo)記高速緩存、強制實施硬件安全措施的TrustZone以及針對實時應(yīng)用的緊密耦合內(nèi)存。
ARM1176JZ(F)-S
從智能手機、數(shù)字電視到MID，ARM1176應(yīng)用型處理器在這些領(lǐng)域得到廣泛部署，它可提供媒體和瀏覽器功能、安全計算環(huán)境，而在低成本設(shè)計的情況下可提供高達1GHz的性能。ARM1176JZ-S處理器采用針對安全應(yīng)用領(lǐng)域的ARM TrustZone技術(shù)，以及用于執(zhí)行高效嵌入式Java的ARM Jazelle技術(shù)?？蛇x的緊密耦合內(nèi)存可以簡化ARM9處理器移植和實時設(shè)計，同時，AMBA 3 AXITM接口提高了內(nèi)存總線性能。DVFS支持可以實現(xiàn)功耗優(yōu)化，使其低于ARM11TM處理器體系結(jié)構(gòu)的同類非常好的額定靜態(tài)和動態(tài)功耗。
- 設(shè)計用于消費類產(chǎn)品和無線產(chǎn)品的應(yīng)用型處理器。
- 兩種處理器都具有包含媒體擴展的ARMv6指令集體系結(jié)構(gòu)、ARM Jazelle技術(shù)以及用于壓縮代碼的ARM Thumb。
- 在ARM11處理器系列中，只有ARM1176JZ(F)-S處理器具有ARM TrustZone技術(shù)。TrustZone技術(shù)在CPU和平臺體系結(jié)構(gòu)內(nèi)提供支持，以便構(gòu)建所需的可信計算環(huán)境，從而能夠保護已下載應(yīng)用程序中的關(guān)鍵系統(tǒng)功能、已下載媒體的版權(quán)保護、實現(xiàn)安全的空中下載系統(tǒng)升級。
ARM1136J(F)-S
ARM1136處理器包含帶媒體擴展的ARMv6指令集、Thumb代碼壓縮技術(shù)以及可選的浮點協(xié)處理器。ARM1136是一個成熟的內(nèi)核，作為一種應(yīng)用型處理器廣泛部署在手機和消費類應(yīng)用程序中。
ARM1176JZ(F)-S處理器架構(gòu)
- 還設(shè)計用作應(yīng)用型處理器，包括ARM1176JZ(F)-S處理器的許多功能。
- 不包括AMBA 3 AXI總線或TrustZone。
- 一些用戶實現(xiàn)ARM1136J(F)-S處理器，以便通過其基于ARM9處理器的SoC設(shè)計，與現(xiàn)有AMBA AHB總線外設(shè)兼容
- 通過AMBA AHB到AXI的構(gòu)造，可以更加輕松地從AHB總線外設(shè)移植到基于ARM1176JZ(F)-S處理器的設(shè)計。
- 到最新ARM Cortex-A類處理器的軟件兼容移植路徑
ARM1156T2-S
ARM1156處理器對ARM11性能進行了優(yōu)化，以適合高可靠性和實時嵌入式應(yīng)用。ARM1156T2-S和ARM1156T2F-S處理器基于ARMv6指令集體系結(jié)構(gòu)，并借助 Cortex處理器系列中的相同Thumb-2增強功能得到了擴展。ARM1156處理器使用九階段整數(shù)管道，合并了同類非常好的分支預(yù)測技術(shù)來提供任何ARM11類處理器的最高指令吞吐量。
- 第一個合并了ARM Thumb-2技術(shù)的處理器，以便獲得更高的代碼密度和指令集效率。
- Thumb-2技術(shù)使用的內(nèi)存比純32位代碼少31%，從而降低了系統(tǒng)成本，同時可提供優(yōu)于現(xiàn)有Thumb技術(shù)38%的性能。
- 這些處理器還具有針對高速緩存和緊密耦合內(nèi)存(TCM)的可選同位數(shù)據(jù)保護以及不可屏蔽中斷，從而使其非常適合重點關(guān)注高可靠性或高可用性的嵌入式控制應(yīng)用領(lǐng)域。
-ARM1156T2-S處理器具有增強型內(nèi)存保護單元(MPU)，并為當(dāng)前使用 ARM946E-S、ARM966E-S或較舊16位處理器的嵌入式控制應(yīng)用程序提供理想的升級途徑。
- 這些處理器具有AMBA 3 AXI規(guī)格的接口，能夠以較少的總線層提供較高的系統(tǒng)總線帶寬以及快速時序收斂。
- 到最新ARM Cortex-R類處理器的軟件兼容移植路徑
ARM11 MPCore
ARM11 MPCore多核處理器實現(xiàn)ARM11微體系結(jié)構(gòu)，并引入了基于單個RTL、從1個內(nèi)核到4個內(nèi)核的多核擴展，從而使具有單個宏的簡單系統(tǒng)設(shè)計可以集成高達單個內(nèi)核的4倍的性能。ARM11 MPCore處理器使用內(nèi)置SCU實現(xiàn)高效一致性，并受到具有ARM SMP功能的眾多操作系統(tǒng)的支持。該處理器使用PIPT高速緩存擴展ARMv6體系結(jié)構(gòu)，可以有效支持16KB-64KB L1高速緩存。
- ARM11 MPCore可合成多處理器基于ARM11微體系結(jié)構(gòu)，可以將其配置為包含一到四個處理器，以提供高達2600 Dhrystone MIPS的性能。
ARM11處理器系列功能：
- 強大的ARMv6指令集體系結(jié)構(gòu)
- ARM Thumb指令集可以減少高達35%的內(nèi)存帶寬和大小需求
- 用于執(zhí)行高效嵌入式Java的ARM Jazelle技術(shù)
- ARM DSP擴展
- SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）媒體處理擴展可提供高達2倍的視頻處理性能
- 作為片上安全基礎(chǔ)的 ARM TrustZone技術(shù)（ARM1176JZ-S和ARM1176JZF-S處理器）
- Thumb-2技術(shù)（僅ARM1156(F)-S），可增強性能、能效和代碼密度
- 低功耗：0.6mW/MHz (130nm 1.2 V)，包括高速緩存控制器，能量節(jié)約關(guān)閉模式能夠處理高級工藝中的靜態(tài)漏電情況。
- 高性能整數(shù)處理器
- 8階段整數(shù)管道可提供高時鐘頻率（對于ARM1156T2(F)-S為9階段）
- 單獨的加載-存儲和算法管道
- 分支預(yù)測和返回棧
- 高性能內(nèi)存系統(tǒng)設(shè)計
- 支持4-64k高速緩存大小
- 針對多媒體應(yīng)用領(lǐng)域的、帶DMA的可選緊密耦合內(nèi)存
- 對于媒體處理和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，高性能64位內(nèi)存系統(tǒng)加快了數(shù)據(jù)存取速度
- ARMv6內(nèi)存系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)加快了操作系統(tǒng)上下文切換速度
- 矢量中斷接口和低中斷延遲模式提高了中斷響應(yīng)速度和實時性能
- 用于汽車/工業(yè)控制和3D圖形加速的可選矢量浮點協(xié)處理器（ARM1136JF-S、ARM1176JZF-S和ARM1156T2F-S處理器）
- 所有ARM11系列處理器都作為符合ARM-Synopsys參考方法的可交付項來提供，從而顯著縮短了生成內(nèi)核的特定技術(shù)實現(xiàn)的時間，以及生成一組完整的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)視圖和模型的時間。
Cortex A8是一款單核處理器芯片，它基于ARMv7體系結(jié)構(gòu)，工作頻率從600MHz到1GHz。Cortex-A8處理器可以滿足需要在300mW以下運行的移動設(shè)備的功率優(yōu)化要求；以及需要2000 Dhrystone MIPS的消費類應(yīng)用領(lǐng)域的性能優(yōu)化要求。
Cortex-A8高性能處理器在如今的終端設(shè)備中得到了驗證。 從高端特色手機到上網(wǎng)本、DTV、打印機和汽車信息娛樂，Cortex-A8處理器都提供了可靠的高性能解決方案，每年發(fā)貨數(shù)百萬臺。
- 頻率從600MHz到1GHz及以上
- 高性能、超標(biāo)量微體系結(jié)構(gòu)
- 用于多媒體和SIMD處理的NEON技術(shù)
- 與ARM926（ARM9）、ARM1136和ARM1176（ARM11）處理器的二進制兼容性
高性能
在復(fù)雜系統(tǒng)中運行的高性能處理器
- 對稱、超標(biāo)量管道，以便獲得完全雙指令執(zhí)行功能
- 通過高效、深管道獲得高頻率
- 高級分支預(yù)測單元，具有95%以上準(zhǔn)確性
- 集成的2級高速緩存，以便在高性能系統(tǒng)中獲得非常好的性能
媒體處理
通過NEON技術(shù)在軟件中進行媒體處理
- 128位SIMD數(shù)據(jù)引擎
- v6SIMD的2倍性能
- 通過高效媒體處理節(jié)約功耗
- 靈活處理將來的媒體格式
- 通過Cortex-A8上的NEON技術(shù)可以在軟件中輕松集成多個編解碼器
- 增強用戶界面
NEON技術(shù)主要應(yīng)用于某些音頻、視頻和圖形工作負(fù)荷可以減輕跨SoC支持多個專用加速器的負(fù)擔(dān)，并且使系統(tǒng)可以支持將來的標(biāo)準(zhǔn)。
2級高速緩存集成到內(nèi)核中，以實現(xiàn)輕松集成、高功效和非常好的性能。 該高速緩存使用標(biāo)準(zhǔn)編譯的RAM構(gòu)建，可配置范圍從0K到1MB。 該高速緩存可以使用編譯的內(nèi)存構(gòu)建，具有可編程延遲，以適應(yīng)不同的數(shù)組特征。
典型芯片代表：
德州儀器：OMAP 3430、OMAP3530、OMAP 3610/3630/3640
高通：MSM 7230/7630/8255/8255T/8655/8655T、QSD 8250/8250A/8650/8650A
三星：S5PC110
蘋果：A4
瑞芯微：RK2918
Cortex-A9是目前為止性能最高的ARM處理器，可實現(xiàn)受到廣泛支持的ARMv7體系結(jié)構(gòu)的豐富功能。相對Cortex A8，新的Cortex 9可以最多設(shè)計四個處理內(nèi)核，Cortex-A9處理器的設(shè)計旨在打造非常先進的、高效率的、長度動態(tài)可變的、多指令執(zhí)行超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)，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(luò)、企業(yè)和移動應(yīng)用中的前沿產(chǎn)品所需的功能，它可以提供比較獨特的高性能和高能效。
Cortex-A9微體系結(jié)構(gòu)既可用于可伸縮的多核處理器（Cortex-A9 MPCore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16/32/64KB 4路關(guān)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(yīng)用領(lǐng)域和市場。
- 非常好的性能，2GHz標(biāo)準(zhǔn)操作可提供TSMC 40G硬宏實現(xiàn)
- 以低功耗為目標(biāo)的單核實現(xiàn)，面向成本敏感型設(shè)備
- 利用高級MPCore技術(shù)，最多可擴展為4個一致的內(nèi)核
- 可選NEON媒體和浮點處理引擎
風(fēng)靡Android的Tegra 2采用了Cortex A9雙核架構(gòu)
通過共享以下常見需求，Cortex-A9處理器可提供滿足各種不同市場應(yīng)用需求的可擴展解決方案，包括移動手機以及高性能的消費類產(chǎn)品和企業(yè)產(chǎn)品：
- 通過提高性能、降低功耗來提高能效；
- 提高最高性能，滿足要求更高的應(yīng)用需求；
- 能夠在多個設(shè)備之間共享軟件和工具投資；
Cortex-A9 MPCore多核處理器
Cortex-A9 MPCore集成了經(jīng)驗證非常成功的ARM MPCore技術(shù)以及更多增強功能，以此簡化了多核解決方案，并使其應(yīng)用范圍得到擴展。Cortex-A9 MPCore處理器可提供比較獨特的可擴展的最高性能，同時還支持靈活設(shè)計和新功能，從而進一步降低和控制處理器和系統(tǒng)級的能耗。借助Cortex-A9 MPCore 處理器的定向?qū)崿F(xiàn)，移動設(shè)備的最高性能還可在現(xiàn)在的解決方案的基礎(chǔ)上不斷提高，具體方法是：利用設(shè)計靈活性和ARM MPCore技術(shù)提供的高級功率管理技術(shù)，在散熱受限以及移動電源預(yù)算緊張的情況下維持運行。使用可伸縮的最高性能，該處理器可超過現(xiàn)今類似的高性能嵌入式設(shè)備的性能，并可在拓寬市場的基礎(chǔ)上進行穩(wěn)定的軟件投資。
Cortex-A9單核處理器
Cortex-A9處理器提供了比較獨特的高性能和高能效，從而使其成為需要在低功耗、成本敏感、基于單核處理器的設(shè)備中提供高性能的所有設(shè)計的理想解決方案。使用便利的可合成流和IP成品，Cortex-A9處理器可為基于ARM11處理器的現(xiàn)有設(shè)計提供理想的升級途徑，這類設(shè)計需要在相似的硅成本和電源預(yù)算基礎(chǔ)上提供更高的性能和更高級別的能效，同時使軟件環(huán)境保持兼容。Cortex-A9單核處理器為獨立指令和數(shù)據(jù)事務(wù)提供了雙重、低延遲、Harvard 64位AMBA 3 AXI主接口，在內(nèi)存的緩存區(qū)域之間復(fù)制數(shù)據(jù)時，它能夠維持每五個處理器周期執(zhí)行四次雙字寫入。
除了單核和多核軟宏外，常用的雙核配置也可用作TSMC 40G/GL工藝的硬宏實現(xiàn)，從而最大程度地縮短高性能Cortex-A9處理器的上市時間，降低與其上市關(guān)聯(lián)的風(fēng)險和成本。利用優(yōu)化的ARM物理IP和先進的實現(xiàn)技術(shù)，該硬宏可用作功率優(yōu)化實現(xiàn)或性能優(yōu)化實現(xiàn)。
速度優(yōu)化：速度優(yōu)化硬宏實現(xiàn)可向系統(tǒng)設(shè)計人員提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ARM處理器的整合低功率技術(shù)，從而使ARM的性能領(lǐng)先優(yōu)勢進一步延伸到緊湊、高密度和散熱受限的環(huán)境所需的功率包絡(luò)中的高利潤消費類設(shè)備和企業(yè)設(shè)備。從標(biāo)準(zhǔn)硅中選擇該硬宏實現(xiàn)后，它的運行頻率超過2GHz，代表了面向性能的高利潤應(yīng)用中的理想解決方案。
功率優(yōu)化：在許多散熱受限的應(yīng)用領(lǐng)域中，能效極為重要。從標(biāo)準(zhǔn)硅中選擇Cortex-A9功率優(yōu)化硬宏實現(xiàn)后，其提供的最高性能達到4000DMIPS，而每個CPU的能耗不到250mW。
該硬宏實現(xiàn)包括符合ARM AMBA標(biāo)準(zhǔn)的高性能系統(tǒng)組件，可以最大程度地提高數(shù)據(jù)通信速度，同時使能耗和硅面積降到最低。各Cortex-A9硬宏實現(xiàn)還包括CoreSight程序跟蹤宏單元(PTM)，它使處理器的指令流完全可見，從而使軟件社區(qū)成員能夠開發(fā)優(yōu)化性能的代碼。此外，該宏還包括ARM高性能L2高速緩存控制器，它支持L2高速緩存內(nèi)存介于128K和8M之間的配置。
典型芯片代表：
德州儀器：OMAP 4430/4460/4470
高通：MSM 8260/8660、APQ 8060/8064
NVIDIA：Tegra 2
蘋果：A5
最新的Cortex A15目前還沒有成品芯片上市，最早可能要到2012年上市。Cortex A15和Cortex A9/A8同樣采用了ARMv7-A Cortex架構(gòu)，處理器內(nèi)核數(shù)量最多為4個，和Cortex A9相同，處理核心之間通過AMBA 4技術(shù)互聯(lián)，支持一系列ISA，能夠在不斷下降的功耗、散熱和成本預(yù)算基礎(chǔ)上提供高度可擴展性解決方案，廣泛適用于下一代智能手機、平板機、大屏幕移動計算設(shè)備、高端數(shù)字家庭娛樂終端、無線基站、企業(yè)基礎(chǔ)架構(gòu)產(chǎn)品等等。
Cortex A15指令集
- ARM
- Thumb-2
- TrustZone security technology
- NEON Advanced SIMD
- DSP&SIMD extensions
- VFPv4 Floating point
- Jazelle RCT
- Hardware virtualization support
- Large Physical Address Extensions(LPAE)
ISA指令集方面，新的Cortex A15除了繼承ARMv7系統(tǒng)，增加了Large Physical Address Extensions (LPAE)，使得處理器最高可以訪問多達1TB的內(nèi)存，能有助于擴大計算設(shè)備的內(nèi)存容量和帶寬。
而在緩存方面，新的Cortex A15極大的優(yōu)化了一級緩存，數(shù)據(jù)和指令各擁有獨立的32KB緩存，延遲得到極大降低，另外功耗也得到明顯改善，核心之間的交流也得到增強，支持多核開發(fā)的軟件開發(fā)也得到極大改善。在二級緩存，方面，Cortex A15提供高達4MB的二級緩存，支持的速率也更高，顯著降低了芯片的功耗。
而針對多核這一發(fā)展趨勢，ARM也沒有止步，新增加的AMBA 4技術(shù)專門為多核的Cortex A15設(shè)計，使得核心能夠更好的利用緩存，而軟件的開發(fā)也得到了簡化。結(jié)果是那些對高帶寬要求的應(yīng)用包括游戲，服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)能夠有效的將多和凝聚起來，提高運算效率。
另外針對Cortex A9的多媒體性能表現(xiàn)不如預(yù)期，ARM在新的Cortex A15上又重新把NEON高級SIMD指令集和Floating-Point Unit(FPU)作為必配融入到Cortex A15，使得的媒體處理器速度得到顯著提高。
值得注意的是新的浮點單元采用了VFPv4架構(gòu)相對VFPv3能夠提供更高的性能，而且新的VFPv4架構(gòu)也將榮早期基于ARM浮點單元協(xié)處理器。
隨著科技的不斷進步，首批Cortex A15將采用32nm、28nm(TSMC/GlobalFoundries)工藝制造，未來會一直延伸到20nm。Cortex A15主頻最高可達2.5GHz，并可根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域靈活調(diào)整，比如智能手機和移動計算的1-1.5GHz單/雙核心、數(shù)字家庭娛樂的1-2GHz雙/四核心、家庭和Web 2.0服務(wù)器的1.5-2.5GHz四/八核心乃至更大規(guī)?；ヂ?lián)。
作為Cortex-A系列家族的最新成員，Cortex-A15是一顆具備廣泛軟件與功能兼容性的處理器，為操作系統(tǒng)虛擬化、軟錯誤糾正、更大內(nèi)存尋址能力、系統(tǒng)一致性提供了高效的硬件支持， 同時保留該系列低功耗設(shè)計優(yōu)勢，以及全面的應(yīng)用兼容性，可立即投入現(xiàn)有開發(fā)者、軟件生態(tài)系統(tǒng)，包括Google Android、Adobe Flash Player、Java SE、JavaFX、Linux、Windows Embedded Compact 7、Symbian、Ubuntu，還有七百多家ARM Connected Community社區(qū)成員提供應(yīng)用軟件、硬件、軟件開發(fā)工具、中間件、SoC設(shè)計設(shè)備。
Cortex-A15處理器將獲得同步開發(fā)、專門優(yōu)化的ARM物理IP的支持，同時還會支持一系列ARM技術(shù)，包括AMBA 4兼容CoreLink系統(tǒng)IP、CoreSight調(diào)試和追蹤IP、Mali圖形核心和一系列開發(fā)工具。
隨著工藝以及技術(shù)的發(fā)展，ARM也在與時俱進，從ARM926最早采用180nm工藝，而不久后基于Cortex A15的芯片將搭載全新的28nm工藝，晶體管密度提升不知多少倍，另外工藝的演進，相應(yīng)的能效也在不斷提高。
目前主流的Cortex A系列ARM規(guī)格
從上圖我們發(fā)現(xiàn)早期的ARM926由于工藝和技術(shù)的顯示，Dhrystone性能只有1.1 DIMPS/MHz，另外收到工藝的限制，早期的ARM926采用了180nm工藝，頻率設(shè)計最高只有200MHz，嚴(yán)重制約了性能的提升，而目前的Cortex A9最多可集成4個內(nèi)核，單顆內(nèi)核的Dhrystone性能達到了2.5 DIMPS/MHz，提升了1倍多，另外Cortex A9普遍采用了65nm或40nm工藝，頻率也得到極大提升，性能優(yōu)化后的雙核Cortex A9頻率可達2GHz，提升幅度達10倍。
移動互聯(lián)網(wǎng)逐漸朝一體化趨勢發(fā)展
相信隨著工藝和技術(shù)的不斷發(fā)展，ARM性能達到主流PC性能也不是問題。ARM精簡的指令集使得運算也更加高效，更具市場競爭力，ARM處理器可以實現(xiàn)較高性能、較小代碼大小、較低功耗和較小硅面積的良好平衡，使得移動互聯(lián)網(wǎng)時代漸趨成熟。■
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