ARM11系列微處理器是ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它是ARM新指令架構(gòu)——ARMv6的第一代設(shè)計實現(xiàn)。

該系列主要有ARM1136J,ARM1156T2和ARM1176JZ三個內(nèi)核型號，分別針對不同應(yīng)用領(lǐng)域。

本文將對全新的ARMv6架構(gòu)進(jìn)行介紹，并深入分析ARM11處理器的先進(jìn)特點和關(guān)鍵技術(shù)。

ARMv6結(jié)構(gòu)體系

實現(xiàn)新一代微處理器的第一步就是訂立一個新的結(jié)構(gòu)體系。這里所說的結(jié)構(gòu)體系只是對處理器行為進(jìn)行描述，并不包括具體地指定處理器是如何被建造的。結(jié)構(gòu)體系的定義提供了處理器和外界(操作系統(tǒng),應(yīng)用程序和調(diào)試支持)的接口，從細(xì)節(jié)上說，處理器結(jié)構(gòu)體系定義了指令集、編程模式和最近的存儲器之間的接口。

最新的ARM處理器架構(gòu)—ARMv6，發(fā)布于2001年10月，它建立于過去十年ARM許多成功的結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上。同處理器的授權(quán)相似，ARM也向客戶授權(quán)它的結(jié)構(gòu)體系。比如，Intel的XScale就是基于ARMv5TE的處理器。本文也會就ARM11和Intel XScale的特點作一比較。

目標(biāo)應(yīng)用

ARMv6架構(gòu)是根據(jù)下一代的消費類電子、無線設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和汽車電子產(chǎn)品等需求而制定的。ARM11的媒體處理能力和低功耗特點，特別適用于無線和消費類電子產(chǎn)品;其高數(shù)據(jù)吞吐量和高性能的結(jié)合非常適合網(wǎng)絡(luò)處理應(yīng)用;另外，也在實時性能和浮點處理等方面ARM11可以滿足汽車電子應(yīng)用的需求?？梢灶A(yù)言，基于AMRv6體系結(jié)構(gòu)的ARM11系列處理器將在上述領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。

主要特點

對于各種無線移動應(yīng)用，毫無節(jié)制的提供高性能處理器是無用的。同成本控制類似，功耗的控制也是一個重要因素。

ARM11系列處理器展示了在性能上的巨大提升，首先推出350M~500MHz時鐘頻率的內(nèi)核，在未來將上升到1GHz時鐘頻率(如圖2)。

ARM11處理器在提供高性能的同時，也允許在性能和功耗間做權(quán)衡以滿足某些特殊應(yīng)用。通過動態(tài)調(diào)整時鐘頻率和供應(yīng)電壓，開發(fā)者完全可以控制這兩者的平衡。在0.13um工藝，1.2v條件下，ARM11處理器的功耗可以低至0.4mW/MHz。

ARM11處理器同時提供了可綜合版本和半定制硬核兩種實現(xiàn)?？删C合版本可以讓客戶根據(jù)自己的半導(dǎo)體工藝開發(fā)出各有特色的處理器內(nèi)核，并保持足夠靈活性。ARM實現(xiàn)的硬核則是為了滿足那些極高性能和速度要求的應(yīng)用，同時為客戶節(jié)省實現(xiàn)的成本和時間。

為了讓客戶更方便地走完實現(xiàn)流程，ARM11處理器采用了易于綜合的流水線結(jié)構(gòu)，并和常用的綜合工具以及RAM compiler良好結(jié)合，確保了客戶可以成功并迅速的達(dá)到時序收斂。目前已有的ARM11處理器在不包含Cache的情況下面積小于2.7mm2，對于當(dāng)前復(fù)雜的SoC設(shè)計來說，如此小的die size對芯片成本的降低是極其重要的。ARM11處理器在很多方面為軟件開發(fā)者帶來便利。一方面，它包含了更多的多媒體處理指令來加速視頻和音頻處理;另一方面，它的新型存儲器系統(tǒng)進(jìn)一步提高了操作系統(tǒng)的性能;此外，還提供了新指令來加速實時性能和中斷的響應(yīng)。

再次，目前有很多應(yīng)用要求多處理器的配置(多個ARM內(nèi)核，或ARM+DSP的組合)，ARM11處理器從設(shè)計伊始就注重更容易地與其他處理器共享數(shù)據(jù)，以及從非ARM的處理器上移植軟件。此外，ARM還開發(fā)了基于ARM11系列的多處理器系統(tǒng)——MPCORE(由二個到四個ARM11 內(nèi)核組成)。

優(yōu)秀的性能

ARM11處理器的超強性能是由一系列的架構(gòu)特點所決定的。ARMv6—決定性能的基礎(chǔ)ARMv6架構(gòu)決定了可以達(dá)到高性能處理器的基礎(chǔ)。

總的來說，ARMv6架構(gòu)通過以下幾點來增強處理器的性能：

•多媒體處理擴展

使MPEG4編碼/解碼加快一倍

音頻處理加快一倍

•增強的Cache結(jié)構(gòu)

實地址Cache

減少Cache的刷新和重載

減少上下文切換的開銷

•增強的異常和中斷處理

使實時任務(wù)的處理更加迅速= 支持Unaligned和Mixed-endian數(shù)據(jù)訪問

使數(shù)據(jù)共享、軟件移植更簡單，也有利于節(jié)省存儲器空間

對絕大多數(shù)應(yīng)用來說，ARMv6保持了100%的二進(jìn)制向下兼容，使用戶過去開發(fā)的程序可以進(jìn)一步繼承下去。ARMv6 保持了所有過去架構(gòu)中的T(Thumb指令)和E(DSP指令)擴展，使代碼壓縮和DSP處理特點得到延續(xù);為了加速Java代碼執(zhí)行速度的ARM Jazalle技術(shù)也繼續(xù)在ARMv6架構(gòu)中發(fā)揮重要作用。

ARM11處理器的內(nèi)核特點

ARM11處理器是為了有效的提供高性能處理能力而設(shè)計的。在這里需要強調(diào)的是，ARM并不是不能設(shè)計出運行在更高頻率的處理器，而是，在處理器能提供超高性能的同時，還要保證功耗、面積的有效性。ARM11優(yōu)秀的流水線設(shè)計是這些功能的重要保證。