Advanced RISC Machines

В семиуровневом арифметическом конвейере первые 3 уровня соответствуют конвейеру ARM, в которых команды принимаются от ARM (выборка, декодирование и выполнение). Команды загрузки и сохранения и команды пересылки данных, остаются зафиксированными в ARM на два следующих цикла, с тем, чтобы передать данные на соответствующем уровне памяти ARM, и записи данных на пятом уровне.     

Малое потребление процессора ARM10 (менее 600 мВт) позволяет приборы  с высоким уровнем интеграции размещать в недорогих корпусах, использовать более дешевые компоненты питания, позволяющие отказаться от дорогостоящих средств теплоотвода.

Специалисты фирмы ARM так излагают основные идеи заложенные в новом  семействе процессоров: чтобы отслеживать  характер работы и, в зависимости  от этого, снижать потребление, разработчики отказались от сложности и дороговизны полностью суперскалярной машины. Необходимый уровень производительности был достигнут за счет использования уникальных особенностей архитектуры ARM, обеспечивающих высокую степень внутреннего параллелизма в единожды созданной машине. Система команд векторных операций с плавающей точкой полностью новая, так что разработчики, проанализировав алгоритмы, необходимые для основных применений, имели возможность создать устройство очень быстрое, применяя возможные кремниевые решения для наиболее часто используемых операций, оставляя на долю программных решений действительно уникальные операции. Еще один уровень сложности был преодолен при разработке интерфейсов кэш и ЗУ, поскольку при высоком быстродействии процессора они оказывают огромное влияние на производительность.

Микропроцессоры семейства StrongARM

 

    Что то мы все  о ядрах, макроядрах и ядерных  технологиях. Не спорю - ядерные технологии являются весьма прогрессивными технологиями, обеспечивающими возможность создания специализированных приборов (ASIC и ASSP) с самыми широкими возможностями, ориентированных на самые различные применения. И для организации производства на базе ядерных технологий достаточно всего-то построить несколько кремниевых фабрик, оснащенных оборудованием, обеспечивающим производство ASIC и ASSP с топологическими нормами не хуже 0,35 мкм, и организовать работу поддерживающих отраслей. Вон, какой-то там, Тайвань, может себе это позволить.     

Дело это вполне реализуемое, хотя специалистов у нас осталось не так уж и много, хотя прогресс в зарубежных полупроводниковых отраслях не останавливается, хотя вряд ли кто за рубежом будет спокойно смотреть на наши попытки догнать?    

Наличия кремниевых фабрик достаточно, однако для того, чтобы средства, использованные на их строительство не были потрачены впустую необходим массовый рынок сбыта - применения, примером которых могут служить пресловутые пейджеры, сотовые телефоны, сетевое и Internet оборудование - необходима некоторая ниша, на которую и должны работать кремниевые фабрики.     

Одним словом, эта проблема необходимости  и достаточности остается открытой и ее решение может занять немало времени.    

Однако вернемся к процессорам ARM. Кремниевых фабрик нет, рынков больших  объемов нет. Но остаются средства автоматизации производственных процессов, измерительное и медицинское оборудование и много других применений, которые традиционно реализуются на стандартных микропроцессорах и микроконтроллерах. Какие же стандартные приборы на базе архитектуры ARM может использовать наш отечественный разработчик?    

Выше уже упоминались микропроцессоры ARM7100, ARM7500 и ARM7500E фирмы ARM, Thumb-ориентированные  микроконтроллеры семейства AT91 фирмы Atmel. Ниже будут представлены микропроцессоры  семейства StrongARM, работу над которыми фирма ARM вела в сотрудничестве с фирмой Digital Semiconductor и которые, после поглощения в 1998 году фирмы Digital Semiconductor фирмой Intel, выпускаются под маркой фирмы Intel. Необходимо отметить, что микропроцессоры семейства StrongARM не являются Thumb-ориентированными, т.е. используют только 32-разрядную систему команд.

Микропроцессор SA-110

 

    Первым членом семейства StrongARM, порожденного соглашением  между фирмами ARM и Digital Semiconductor, стал ориентированный на встраиваемые применения микропроцессор SA-110 (StrongARM-110), выпущенный еще в сентябре 1996 года. RISC 32-разрядная Гарвардская архитектура ARM с пятиуровневым конвейером в сочетании с низковольтной CMOS технологией и большим опытом разработки высокопроизводительных процессоров фирмы Digital позволили разработать высокопроизводительный микропроцессор с исключительным соотношением производительность/потребление. Так версия с тактовой частотой 160 МГц обеспечивает производительность 185 Dhrystone 2.1 MIPS, потребляя всего 450 мВт, что соответствует соотношению производительность/потребление (MIPS/Вт) свыше 400. При стоимости прибора менее $50 соотношение производительность/стоимость составляет порядка 3,8 MIPS/$, а у версии с тактовой частотой 200 МГц и напряжением питания 2 В это соотношение еще выше - почти 5 MIPS/$. Микропроцессор SA-110 оснащен встроенными кэш команд и данных емкостью по 16 Кбайт, задействуемыми даже в тех случаях, когда процессор работает со сравнительно медленной памятью.    

Программируемый системный интерфейс микропроцессора SA-110 предоставляет пользователям высокую гибкость при разработке устройств, соответствующих специфическими требованиям применений. Интерфейс SA-110 может работать в синхронном или асинхронном режимах и программируется в диапазоне частот. Такая гибкость позволяет разработчикам организовывать интерфейс с различными типами памяти, ориентируясь или на обеспечение высокой производительности или на получение системы с невысокой стоимостью. Микропроцессор SA-110 способен работать с уровнями I/O 3,3 В, предоставляя разработчикам систем возможность использовать новейшие приборы памяти с напряжением питания 3,3 В и другие перспективные компоненты.

Основные характеристики микропроцессоров SA-110

Тактовая частота (МГц)	100	160	166	200	233	233
Производительность (Dhrystone 2.1 MIPS)	115	185	192	230	268	268
Напряжение питания ядра (В)	Vss=0.0  Vdd=1.65 ±10%	Vss=0.0  Vdd=1.65 ±10%	Vss=0.0  Vdd=2.0 ±10%	Vss=0.0  Vdd=2.0 ±10%	Vss=0.0  Vdd=2.0 ±10%	Vss=0.0  Vdd=2.0 ±10%
Напряжение питания I/O (В)	Vssx=0.0  Vddx=3.3 ±10%	Vssx=0.0  Vddx=3.3 ±10%	Vssx=0.0  Vddx=3.3 ±10%	Vssx=0.0  Vddx=3.3 ±10%	Vssx=0.0  Vddx=3.3 ±10%	Vssx=0.0  Vddx=3.3 ±10%
Потребление типовое (мВт)	Max=<300  Typ=<110  Sleep=50 мкА  Idle=<20	Max=<450  Typ=<136  Sleep=50 мкА  Idle=<20	Max=<450	Max=<900	Max=<1000	Max=<1000
Максимальная температура переходов (°C)	100	100	100	100	100	100
Диапазон рабочих температур (°C)	0-70	0-70	0-70	0-70	0-70	0-60
Технология	0,35 мкм, 3 слоя металлизации	0,35 мкм, 3 слоя металлизации	0,35 мкм, 3 слоя металлизации	0,35 мкм, 3 слоя металлизации	0,35 мкм, 3 слоя металлизации	0,35 мкм, 3 слоя металлизации
Количество транзисторов (Млн)	2.1	2.1	2.1	2.1	2.1	2.1
Корпус	144 TQFP	144 TQFP	144 TQFP	144 TQFP	144 TQFP	144 TQFP

 

    С целью расширения возможностей и оптимизации полной производительности микропроцессора SA-110 и разрабатываемых на его основе устройств был разработан прибор базовой логики 21285. Этот прибор представляет собой схему однокристального интерфейса между микропроцессором SA-110, синхронными DRAM, Flash ROM и шиной PCI. В приборе интегрированы: DMA и контроллеры прерываний, программируемые таймеры, интеллектуальный I/O (I2O) модуль, параллельные и последовательные порты, и арбитр шины PCI.

Микропроцессор SA-1100

 

    Всего через  год после появления микропроцессора SA-110 фирма Digital Equipment Corporation расширила семейство StrongARM, выпустив микропроцессор SA-1100. Ориентированный на дальнейшее расширение возможностей и технических характеристик карманных PC, суб-ноутбуков, интеллектуальных сотовых телефонов, Internet-совместимых Web телефонов и высокопроизводительных встраиваемых применений, микропроцессор StrongARM SA-1100, обеспечил в три-пять раз большую производительность, чем конкурирующие приборы - уже находившиеся в то время в производстве или только разрабатывавшиеся.     

Микропроцессор SA-1100, с максимальной тактовой частотой 220 МГц - первый встраиваемый процессор, приближающийся к соотношению 1000 MIPS/Вт. При тактовой частоте 220 МГц  и напряжении питания 2,0 В микропроцессор SA-1100, ориентированный на встраиваемые применения, обеспечивает производительность 250 Dhrystone V2.1 MIPS, потребляя менее 550 мВт, ориентированная на мобильные применения версия с тактовой частотой 133 МГц и напряжением питания 1,5 В обеспечивает производительность 150 Dhrystone V2.1 MIPS, потребляя менее 230 мВт.    

Высокая производительность микропроцессора SA-1100 обеспечивается высокой тактовой частотой и встроенными кэш большого объема, включающими кэш команд емкостью 16 Кбайт (Icache), кэш обратной записи данных (Dcache) и миникэш, обеспечивающими дополнительную гибкость при управлении перемещением данных. Встроенные буферы, модуль быстродействующего умножителя с функцией процессора цифрового сигнала (DSP) еще более расширяют полную производительность системы. К другим встроенным возможностям кристалла относятся: контроллер памяти, поддерживающий SRAM, DRAM, Flash, и ROM а также PCMCIA Типа 1 и 2; гибкий контроллер дисплея, поддерживающий монохромные и цветные дисплеи с разрешающей способностью до 1024x1024; пять последовательных и универсальных интерфейсов I/O, включая USB, кодек, IR, и SDLC; и все необходимые таймерные и системные функции.

Блок-схема SA-1100

 

    Характеристики SA-1100 обеспечивают мобильным устройствам  быстрый отклик, точные пользовательские интерфейсы и быструю интерпретацию Java. В применениях, использующих SA-1100 могут быть реализованы такие технологии, как распознавание речи и рукописного текста, преобразование текста в речь и реализация программных модемов (программная эмуляция модема v.34+, использует менее 25 процентов мощности CPU), с великолепным высокопроизводительным пользовательским интерфейсом. Этот улучшенный пользовательский интерфейс позволит и обычным потребителям и мобильным профессионалам более продуктивно работать и общаться посредством речи, рукописного или клавиатурного ввода.    

Кроме того, малое потребление прибора SA-1100 в рабочем режиме, объединенное с энергосберегающими режимами idle и sleep, позволяет нормально работать мобильному применению в течение  трех - шести недель от обычных AA батарей - это самый длительный срок жизни батарей для любого быстродействующего процессора.     

Основные характеристики микропроцессоров SA-1100, выпускаемых под маркой фирмы Intel, приведены в таблице.

Основные характеристики микропроцессоров SA-1100

 

  

 

 

     

Как и для микропроцессора SA-110 для  микропроцессора SA-1100 был разработан дополнительный прибор SA-1101, который  фирма Intel теперь называет чип-компаньоном (companion chip). Чип-компаньон SA-1101 - высоко интегрированный прибор с малым потреблением, расширяющий производительность процессора SA-1100, обеспечивая реализацию основных возможностей, необходимых для перспективных карманных устройств. Прибор SA-1101 поддерживает USB устройства и содержит гибкий контроллер CRT и различные интерфейсы I/O, к которым относятся: два порта PS/2, 15 выводов I/O общего назначения (GPIO), интерфейс двух слотов PCMCIA, параллельный интерфейс IEEE 1284 и интерфейс клавиатуры, мультиплексируемый с GPIO и IEEE 1284 выводами. При совместной работе чип-компаньон SA-1101 и процессор SA-1100 обеспечивают одновременное отображение отличающихся данных на LCD дисплее и внешнем видео RGB/VGA мониторе. Устройства, оснащенные такой возможностью, позволяют выводить, к примеру, информацию презентации на экран крупноформатного монитора или через проектор и, одновременно, на экран мобильного устройства необходимые для чтения на презентации комментарии или другую необходимую информацию.    

Богатый набор возможностей чип-компаньона SA-1101 способствует ускорению разработки и выпуска конкурентоспособных мобильных устройств.

Блок-схема SA-1101

Микропроцессор SA-1110

 

    Следующим пополнением  семейства StrongARM, выпущенным в середине 1999 уже под маркой фирмы Intel года, стал микропроцессор SA-1110.    

Поскольку массовые пользователи, и деловые люди и обыватели, все в большей мере используют в повседневной жизни портативные вычислительные средства, упрощающие их деятельность и повышающие деловую активность и производительность, все эти портативные устройства, как правило с батарейным питанием, должны быстро и эффективно выполнять все более сложные функции. Чтобы удовлетворить постоянно увеличивающиеся запросы пользователей в средствах коммуникации, в доступе к информации в любой момент и в любом месте изготовителям нужны технологии, предоставляющие широкие функциональные возможности и эксплуатационную гибкость при сохранении, в то же время, малого потребления и малого размера мобильных устройств с батарейным питанием. В расчете на эти требования фирма Intel и разработала процессор SA-1110.     

Этот микропроцессор, ориентированный  на использование в мобильной  аппаратуре с батарейным питанием, во многом повторил возможности и  характеристики микропроцессора SA-1100, но он располагает расширенными возможностями  взаимодействия с памятью, расширенными возможностями I/O и конфигурирования.    

Микропроцессор SA-1110 содержит:

1. Процессорное ядро SA-1 (используемое во всем StrongARM семействе) с кэш команд емкостью 16 Кбайт и кэш данных емкостью 8 Кбайт, устройствами управления памятью, буферами чтения и записи и мини-кэш данных, емкостью 512 байт, который может быть использован для улучшения кэширования часто используемых структур данных
2. Модуль управления памятью и PCMCIA - гибкий контроллер памяти, поддерживающий SDRAM, синхронную масочную ROM (SMROM), ROM, Flash, DRAM, SRAM и SRAM-подобные I/O с различной латентностью и сигналы управления PCMCIA.
3. Модуль управления системой - 28 портов I/O общего назначения с прерываниями, часы реального масштаба времени, сторожевой таймер, таймеры интервалов, контроллер управления питанием, контроллер прерываний, контроллер сброса и два встроенных генератора.
4. Модуль управления периферией - 6-канальный контроллер DMA, контроллер LCD, SDLC контроллер, совместимый с UART 16550, последовательный порт IrDA, синхронный последовательный порт, конечный интерфейс USB и интерфейс кодека.

Блок-схема SA-1110

 

    Процессор SA-1110 обеспечил лидирующее в отрасли  соотношение MIPS/мВт, за счет использования  высокопроизводительной микро-архитектуры, совершенной CMOS технологии и встроенных кэш большого объема. Уровень потребления оптимизирован использованием технологии, обеспечивающей низкое напряжение питания, и встроенными средствами энергосбережения, позволяющими снижать использование энергии батареи всякий раз, когда система не активирована какой либо задачей.