Note: ARM 架構

文.侯俊宇/黃繼寬
INTEL
如Atom乃以先進製程45奈米High-k金屬閘極技術為基礎,就是瞄準Netbook與Nettop市場
以英特爾的平台,在效能相同或更佳的情形下,耗電將是現今平台的十分之一,特別在新興與成熟市場都將大有商機
Netbook採用堅固且小型化的設計,提供無線連結的自由與彈性,而Nettop則是可靠的運算裝置,價格經濟實惠且可在家庭中使用
Netbook與Nettop非常適合上網,可用於教育、觀看相片與視訊、社交、網路電話、電子郵件、訊息、上網瀏覽與其他網路活動、以及基本的應用,因此也是英特爾視為帶來下一波商機的所在
英特爾定義的Netbook,配置包括1.6GHz的Atom處理器N270、Mobile Intel 945GSE Express Chipset與ICH7M、7~10吋螢幕、802.11b/g無線區域網路(WLAN)、迷你鍵盤、記憶體運行時脈為400MHz或533MHz記憶體、容量為256M~512MB、採用Linux或微軟(Microsoft) Windows XP Home作業系統、以快閃記憶體為基礎,容量2~4GB的儲存系統、沒有硬碟或光碟機,售價約250美元
Chandrasekher解釋,由於採用High-k金屬閘極45奈米製程技術,因此Atom耗電量低、封裝尺寸小、產生熱量少
再加 上Mobile Intel 945GSE Express Chipset,同樣專為小型電腦設計,
因此除內建繪圖、多個輸入/輸出埠及高傳真音訊外,在小尺寸、低耗電上也有優勢。
相較於x86陣營強打迷你筆電,並試圖進一步跨足MID領域的強烈攻勢,ARM陣營也不甘示弱地緊抓著x86的兩大弱點– 功耗與成本大作文章
德州儀器認為行動上網裝置在設計理念上應該要將省電放在第一優先考量,因為行動上網裝置的原始用意就是要讓使用者即使出門在外也能隨時隨地存取網際網路上的內容
圖3 對於英特爾在其開發者論壇上向ARM公開叫陣,ARM提出自己所進行的評測數據反擊Atom處理器功耗過高。
事實上,除了手機陣營向以英特爾為首x86陣營叫陣之外,
繪圖晶片供應商恩維迪亞(NVIDIA)也出人意料地推出了一系列整合了ARM11 800MHz處理器核心、繪圖核心、影像編解碼器、通訊介面的Tegra處理器家族
而且NVIDIA還在YouTube視訊平台上發布了一段Tegra對決Atom處理器的短片。根據影片中的電錶所顯示的結果,
Tegra的系統功耗約僅有Atom系統(華碩電腦所推出的第二代Eee PC)的十分之一。
 
除了功耗之外,ARM陣營對於x86處理器應用於行動上網裝置的批評還包含系統成本與尺寸問題
在智慧型手機這個領域裡,所有應用處理器的供應商都是採行系統單晶片架構來盡可能降低系統所使用的元件數量,例如Madhavapeddy便指出如果就系統印刷電路板的尺寸做比較,採用德儀新款OMAP 3440所設計的系統在尺寸上可以縮小到Atom的八分之一。
 
事實上,Atom所採用的處理器核心已經是目前x86處理器核心中最低功耗的設計,而且也對於降低x86系統成本與尺寸也做出重大的貢獻。除了運用在迷你筆記型電腦之外,在工業控制、嵌入式系統設計,或是在伺服器系統中的擔任協同處理器,都是非常適合的應用領域只是若要在口袋型裝置或螢幕尺寸在4吋以下行動裝置採用目前的Atom處理器,其功耗與低整合度都會對系統設計帶來重大挑戰。  
這並不表示Atom的核心設計不可能應用在手持式裝置裡。如果英特爾在設計第二代或第三代Atom處理器能將龐大的第二階快取(L2 Cache)縮小,並盡可能將南橋晶片與繪圖處理器整合到處理器晶片中,Atom將擁有更多與ARM架構在行動設備市場上競逐的實力。第一代Atom處理器的推出,只是x86對抗ARM的暖身而已,以後英特爾要怎麼運用這顆設計低功耗x86核心,將是業界必須持續關注的焦點。

ARM-Advanced RISC Machines

ARM處理器(Advanced RISC Machines),既可以認為是一個公司的名字,也可以認為是對一類微處理器的通稱,還可以認為是一種技術的名字。

1991年ARM公司成立於英國劍橋,主要出售晶片設計技術的授權。目前,採用ARM技術知識產權(IP)核的微處理器,即我們通常所說的ARM微處理器,已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網路系統、無線系統等各類產品市場,基於ARM技術的微處理器應用約佔據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額,ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。

ARM公司是專門從事基於RISC技術晶片設計開發的公司,作為知識產權供應商,本身不直接從事晶片生產,靠轉讓設計許可由合作公司生產各具特色的晶片,世界各大半導體生產商從ARM公司購買其設計的ARM微處理器核,根據各自不同的應用領域,加入適當的週邊電路,從而形成自己的ARM微處理器晶片進入市場

目前,全世界有幾十家大的半導體公司都使用ARM公司的授權,因此既使得 ARM處理器技術獲得更多的第三方工具、製造、軟體的支持,又使整個系統成本降低,使產品更容易進入市場被消費者所接受,更具有競爭力。

1.2 ARM處理器的應用領域及特點

1.2.1 ARM處理器的應用領域

到目前為止,ARM處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域:

1、工業控制領域:作為32的RISC架構,基於ARM核的微控制器晶片不但佔據瞭高端微控制器市場的大部分市場份額,同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展,ARM微控制器的低功耗、高性價比,向傳統的8位/16位微控制器提出了挑戰。

2、無線通訊領域:目前已有超過85%的無線通訊設備採用了ARM技術, ARM以其高性能和低成本,在該領域的地位日益鞏固。

3、網路應用:隨著寬頻技術的推廣,採用ARM技術的ADSL晶片正逐步獲得競爭優勢。此外,ARM在語音及視頻處理上行了優化,並獲得廣泛支持,也對DSP的應用領域提出了挑戰。

4、消費類電子產品:ARM技術在目前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒和遊戲機中得到廣泛採用。

5、成像和安全產品:現在流行的數碼相機和印表機中絕大部分採用ARM技術。手機中的32位SIM智能卡也採用了ARM技術。

除此以外,ARM微處理器及技術還應用到許多不同的領域,並會在將來取得更加廣泛的應用。

1.2.2 ARM微處理器的特點

 採用RISC架構的ARM微處理器一般具有如下特點:

  1、體積小、低功耗、低成本、高性能;

  2、支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集,能很好的兼容8位/16位器件;

  3、大量使用寄存器,指令執行速度更快;

  4、大多數數據操作都在寄存器中完成;

  5、尋址方式靈活簡單,執行效率高;

  6、指令長度固定;

1.3 ARM微處理器系列

ARM微處理器目前包括下面幾個系列,以及其它廠商基於ARM體系結構的處理器,除了具有ARM體系結構的共同特點以外,每一個系列的ARM微處理器都有各自的特點和應用領域。

- ARM7系列

- ARM9系列

- ARM9E系列

- ARM10E系列

- SecurCore系列

- Inter的Xscale

- Inter的StrongARM

其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個通用處理器系列,每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領域的需求

SecurCore系列專門為安全要求較高的應用而設計。

各種處理器的特點及應用領域。

1.3.1 ARM7微處理器系列

ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器,最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應用

ARM7微處理器系列具有如下特點:

- 具有嵌入式ICE-RT邏輯,調試開發方便。

- 極低的功耗,適合對功耗要求較高的應用,如便攜式產品。

- 能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結構。

- 代碼密度高並兼容16位的Thumb指令集。

- 對作業系統的支持廣泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等。

- 指令系統與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便於用戶的產品升級換代。

- 主頻最高可達130MIPS,高速的運算處理能力能勝任絕大多數的複雜應用。

ARM7系列微處理器的主要應用領域為:工業控制、Internet設備、網路和調制解調器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。

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