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ARM与x86之3--蝶变ARM

(2010-10-13 16:21:02)
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杂谈

分类: ARM与x86

蝶变ARM

1929年开始的经济大萧条,改变了世界格局。前苏联的风景独好,使得相当多的人选择了马克思。惧怕布尔什维克红色力量的人投入了法西斯的怀抱,剩余的人选择了妥协与折中。整个世界的迅速分解使得第二次世界大战成为必然。

1933年,罗斯福成为美国第三十二任总统,开始实施新政。这些新政使美国摆脱了危机,决定了二战的走向。罗斯福的背后站着的是凯恩斯,凯恩斯的国家资本主义化解了整个资本主义阵营有史以来最大的一次危机。“妥协与折中”得以持续。

战后的世界属于巨型公司,这些公司借助国家资本的力量,持续着垄断。这些垄断的初衷并非都是恶意的,在美国这却是一个早在1890年就立法制止的。1911年,美国烟草公司被分拆。1982年,美国电报电话公司被分拆。

这些分拆很难抵达IT业。1975年成立的Microsoft虽然多次被推入拆分的风口浪尖,却从未被拆分。IBMIntel多次遭到分拆的威胁,也安然无恙。连分拆的支持者都注意到这样一个事实,这些公司不是依靠国家资本获得垄断地位,而是依靠多年苦心积攒的知识产权坚持到现在。

这类垄断之忧不在颛臾而在萧墙之内。在这些巨型IT公司中,最低层的工作人员需要经过多达十几级的汇报关系,才能到达首席执行官。在这十几级汇报链中,向上所传递最多的就是粉饰太平。

微不足道的小问题在这些大公司中也能引发无尽的讨论。为解决某个问题而举行的会议,经常被无休止地扩大,从一个会议扩展为多个会议,从几个人参与变为几十人参与。这个问题变得已不再重要时,内部并无统一意见。

西方巨型公司的弊端在于欧美所倡导的民主代价过于昂贵。撒切尔夫人是欧洲第一个深刻认识到这些问题的最高执政官。历史上,英国并不重视中小企业的发展,在凯恩斯主义盛行的二十世纪五十年代,英国经历了三次大规模的企业兼并。至撒切尔夫人执政,巨型企业大行其道。更多的人发现这些大型企业并不能提高生产效率,大范围的垄断与集中,已使英国经济举步维艰。

上世纪八十年代,撒切尔夫人开始变革,剑锋所指,巨型公司纷纷解体,中小企业如雨后春笋般涌现。撒切尔的私有化,货币控制,削减福利与抑制工党的四项举措,客观上拯救了英国经济,也使这位值得尊敬的女士誉满天下,谤满天下。

ARM在这样的大背景之下诞生,这注定了这些创始人不会也不愿意使ARM成为巨型公司,这也是取得如此成就的ARM,人数尚不过两千的最重要原因。ARM最初的简称是Acorn RISC MachineAcorn Computer创立于1978年,总部位于剑桥,由Andy Hopper(剑桥大学), Chris Curry(Sinclair Research)Herman Hauser(剑桥大学)创建[48]

Acorn最初使用MOS Technology 6502处理器搭建处理器系统。MOS Technology 6502是一颗8位处理器,设计这颗处理器的工程师来自摩托罗拉的MC6800设计团队[48]。基于6502处理器,Acorn开发了最令其自豪的处理器系统BBC Micro[49]

在上世纪80年代至90年代,BBC Micro处理器系统主宰英国的教育市场。当时还有另外一个基于6502处理器的系统,Apple II[50]。从这时起,AcornApple这两个设计理念及产品形态相似的公司结下了不解之缘,有些人将Acorn公司称呼为“The British Apple[51]。也是在这个时候,Acorn迎来了一生中的对手Intel。基于Intel x86构架的PC对同时代的处理器厂商是一场噩梦,很少有公司能够醒来。服从或者灭亡,别无选择。Acorn选择服从,向Intel申请80286处理器样片,Intel拒绝了这个请求[52]

工程师对剩余的处理器,进行了充分的评估。结果令人失望。此时的Acorn没有选择,认真地考虑是否需要研制一颗属于自己的处理器。他们没有任何处理器设计经验,为数不多的工程师们除了才华,只有梦想。才华与梦想恰能改变整个世界。

198310月,Acorn启动了代号为Acorn RISC的项目,由VLSI Technology负责生产。1985426日,VLSI成产出第一颗Acorn RISC处理器,ARM1ARM1的结构非常简单,仅有个25,000晶体管,甚至没有乘法部件[52]。当时并没有人留意这颗芯片,更多的人关注Intel19851017日发布的80386处理器[36]

没有人认为这颗略显寒酸的ARM1能给80386带来任何冲击,甚至包括研发这颗芯片的Acorn工程师。做为处理器厂商,与Intel活在同一个时代是一场悲剧,无论是AcornIBM亦或是不可一世的DECIntel并不是不犯错误,只是有限的几个错误都能被及时修复。才华横溢的Intel工程师将处理器的故事演绎至巅峰,他们的竞争对手也因此步入地狱。

Acorn不得不选择回避,这也决定了ARM处理器的设计理念是low-cost, low-powerhigh-performance。这个理念与21世纪智能手机的需求不谋而合,却是Intel强加给ARM的。Intel在不经意间为自己树立了一个强大的对手,这个对手在Intel的庇护之下一步步长大。并不夸张地说,没有Intel就没有ARM的今天。

因为对low-costlow-power的追求,Acorn选择了RISC,而不是CISC,在上世纪80年代,RISCCISC孰优孰劣尚无定论。在当时采用RISC技术可以看得到的优势是可以用更少的芯片资源,更少的开发人员实现一个性能相对较高的处理器芯片[53]Intel使用了CISC架构,很大程度上也决定了Acorn选择了RISC。刘备的“每与操相反,事乃可成”,对于Acorn就是“与Intel不同,便有机会”。

ARM的成长仍然缓慢,陆续发布的ARM2ARM3没有激起波澜。只有为数不多的公司选择ARM3处理器开发产品。一些公司将ARM3处理器用于研发,最有名的公司就是Apple[53]。在当时,Apple也是屈指可数的对ARM友善的公司。

Acorn无论是在财务上还是在技术上都遭遇了瓶颈。销售量达到150万台的BBC Micro没有给Acorn带来足够的财富,与席卷天下的PC相比这微不足道[54]ARM3Intel1989年发布的80486也没有太多可比性。危机最终降临到Acorn这个年轻的公司,19852月,当时的IT巨头Olivetti出资12M英镑收购Acorn 49.3%的股份[55]Olivetti的庇护没有给Acorn带来机遇。

Olivetti创建于上世纪初,对智慧与品质苛刻地执着使得他们的产品陈列在纽约的现代艺术博物馆中,出现在许多经典的影片中。这些产品没有改变这个公司的最终命运。Olivetti最终涉足PC领域,使用ZilogZ8000,挑战在这个领域所向无敌的Intel

Olivetti收购Acorn后,更多地将ARM处理器用于研发,真正的产品使用Zilog系列。这段时间是Acorn最艰难的日子。Acorn的创始人Andy Hopper最终选择从Olivetti独立。出乎意料之外,Olivetti支持了Andy的决定。

199011月,Acorn(事实上是Olivetti Research Lab)AppleVLSI共同出资创建了ARMAcorn RISC Machine正式更名为Advanced RISC Machine[55]。在1996年,Olivetti在最困难的时候将所持有的14.7%Acorn股份出售给了雷曼兄弟[56]

当时的Apple正在为代号Newton的项目寻找低功耗处理器。Newton项目的终极目标是实现地球上第一个TabletAppleTablet的前景寄予厚望,他们直接将公司Logo上的Isaac Newton作为项目的名称。Apple最初的Logo是在苹果树下深思的牛顿。两个Steve[i]将公司命名为Apple,与喜欢吃苹果没有任何联系,只因为是苹果而不是鸭梨砸到了牛顿头上。

Newton Tablet的想法过于超前,最糟糕的是Jobs当时并不在AppleApple用并不太短的时间证明了一条真理,没有JobsApple和没有乔丹的公牛没有太大区别。19963月,Steve Jobs再次回到Apple,两年后取消了这个并不成功的项目[57]。等到Jobs再次推出iPad Newton时,已是十几年之后的事情了[58]

Apple投入3百万美金拥有了ARM公司43%的股份[60],但是并没有把宝押在ARM公司,Apple真正关注的是在1991年与IBMMotorola组建的AIM[59]。在1998年,ARM公司在英国和美国同时上市后,Apple逐渐卖出了这些股份。在2010年,Apple即便准备好了80亿美金,却也无法收购ARM

上世纪九十年代初期的ARM公司,财务依然拮据,起初12个员工只能挤在谷仓[ii]中办公,廉价License的商业模式更不被人看好。虽然依靠Apple的鼎力相助,ARM6[iii]得以问世,却没有改变AppleARM的命运。Newton项目设计的是本应该属于下一个世纪的TabletARM6PC处理器和当时多如牛毛的RISC处理器笼罩,无所作为。

上世纪90年代属于PC领域。AMD的异军突起,及其与Intel的竞争,构建了上世纪九十年代处理器领域一道最炫目的风景线,服务器领域属于DEC1992225日,DEC发布的Alpha21064处理器,主频达到150MHz[61],而Intel在第二年发布的Pentium处理器,主频仅有66MHz[62]

整个90年代,处理器世界都在惊叹着Alpha处理器所创造的奇迹。DEC陆续发布的Alpha系列处理器既便是放到二十一世纪的今天,设计理念依然并不落后。DEC工程师是在为21世纪设计处理器芯片。在Alpha21x64系列处理器的编号中,’21’代表二十一世纪,而’64’代表64位处理器[63]

上帝并不青睐DEC公司,科技与商业的严重背离酿成了巨大的灾难。Alpha处理器的技术尚未抵达巅峰,DEC的财务已捉襟见肘。1994~1998年,DEC不断地向世界各地兜售资产。至1997年,DEC出售的资产已遍及五大洲,二十多个国家[64]1998126日,DEC正式被Compaq收购[65]。在DEC解体的最后一段日子里两个公司最为受益,一个是Intel,另一个就是ARM

ARM的起步阶段,鼎力相助的是Apple,最先License ARM内核的却是英国本土的GEC半导体公司。在1993年因为Apple的引荐,ARM处理器跋山涉水来到日本,与Sharp建立了合作关系。在此之前SharpApple一直在合作开发Newton项目。

这些合作并没有缓解ARM的财务危机,ARM一直在追寻真正属于自己的客户。1993年,Cirrus Logic[iv]和德州仪器公司TI(Texas Instruments)先后加入ARM阵营。TI给予了ARM雪中送炭的帮助。TI正在说服当时一家并不知名的芬兰公司Nokia与他们一同进入通信移动市场。TIDSP领域已经取得了领袖地位,但并不熟悉CPU业务,在屈指可数的可以被操控的公司中,最终选择了ARM[67]

ARM迎来了上天赐予的机会。通过与NokiaTI的密切合作,ARM发明了16位的Thumb指令集,真正意义上创建了基于ARM/ThumbSoC商业模式[67]ARM已经逐渐摆脱了财务危机,业务不断扩大。至1993年底,ARM已有50个员工,销售额达到10M英镑。

同年ARM迎来了公司成立以来最重要的一颗处理器内核,ARM7[67]ARM7使用的Die尺寸是Intel 80486的十六分之一,售价仅为50美金[v]左右。较小的Die尺寸,使ARM7处理器获得了较低的功耗,适合手持式应用[67]

ARM7处理器引起了当时的处理器巨头DEC的关注。1995年,DEC开始研发StrongARM。与其他License ARM内核的半导体厂商不同。DEC获得了ARM架构的完整授权,DEC可以使用ARM的指令集,设计新的处理器架构,这个特权后来被IntelMarvell陆续继承。第二年的25日,DEC正式发布SA110处理器,开始提供样片[68]SA110处理器迅速得到了业界的认可,Apple开始使用SA110处理器开发MessagePAD 2000 [69]

StrongARM处理器在设计中注入了Alpha处理器的一些元素。StrongARM使用5级顺序执行的流水线,分离了指令和数据Cache,添加了DMMUIMMU功能部件,每个MMU中包含32个全互连结构的TLB,添加了16级深度的WB(Write Buffer)[70]。至此ARM处理器更像是一颗微处理器,而不再是微控制器。

DEC的帮助使ARM处理器达到了前所未有的高度。更为重要的是,这颗160MHzDMIPS185的处理器,功耗低于500mW[70]。这不仅引起了工业界的浓厚兴趣,学术界也开始真正关注ARM处理器。1997年,DEC如期发布了第二颗StrongARM芯片,SA1100SA1100SA110的基础上增加了一些外部设计。第二年IntelSA1100提供了一个伴侣芯片SA1101SA1100+SA1101也成为了许多PDA厂商的首选。1999年,Intel发布了最后一颗StrongARM处理器SA1110[vi],和对应的伴侣芯片SA1111

StrongARM的成功没有帮助DEC摆脱财务危机。而DEC却找到了一个更容易赚钱的途径。19975月,DEC正式起诉Intel,宣称Intel在设计PentiumPentium ProPentium II处理器时侵犯了DEC10条专利。19979月,Intel反诉DEC在设计Alpha系列处理器时侵犯了Intel多达14条专利[72]

IT界,这样的官司大多不了了之。19971127日,DECIntel选择和解。DECIntel提供除Alpha处理器之外的所有硬件设计授权,进一步支持Intel开发IA64处理器。同时Intel花费了625M美金购买DECHudson的工厂,Israel JerusalemTexas Austin的芯片设计中心。这两个公司还签署了长达十年的交叉授权协议[72]

DEC的技术注入使Intelx86处理器迈入新的时代,Intel具备了向所有RISC处理器同时宣战的能力,最终一统PC和服务器领域。Intel还从DEC获得了StrongARM。克雷格·贝瑞特认为这是上天赐予Intel的机会,x86处理器与StrongARM的组合,将使Intel的处理器遍及世界上任何需要处理器的领域。

为了迎接StrongARM的到来,贝瑞特放弃了Intel自己的RICS处理器,i860i960IntelStrongARM起了一个炫目的名字XScale,动用了积蓄已久史上最为强大的Ecosystem,强势进军嵌入式领域。

一时间,XScale处理器遍及嵌入式应用的每一个领域,用于手持终端的PXA系列,用于消费类电子的IXC/Intel CE系列,用于存储的IOP系列,用于通信的IXP系列。Intel的处理器技术极大地促进了ARM内核的发展,借用PC帝国的Ecosystem使ARM处理器从生产到设计一步领先于所有嵌入式行业的竞争者。首先成为XScale处理器试金石的是摩托罗拉半导体的68K处理器。

XScale系列处理器诞生之前,68K处理器主宰嵌入式领域,Apple Macintosh最初也使用68K处理器。在1997年,摩托罗拉销售了79M68K处理器,而Intelx86处理器一共卖出了75M[73]。这是68K处理器最后的辉煌。IntelTI主导的ARM处理器终结了68K处理器。摩托罗拉半导体面对ARM的强势出击毫无准备。ARM处理器不断地蚕食68K的市场份额,直到完全占有。

1995年,摩托罗拉半导体的香港设计中心发布第一颗用于手持式设备的DragonBall处理器,MC68328(EZ/VZ/SZ)[74],这是香港半导体界最好的时代。而StrongARM/XScale很快结束了香港设计中心的幸福生活。面对ARM的挑战,DragonBall最终屈服,DragonBall MX(Freescale i.MX)系列处理器开始使用ARM9。使用ARM内核并没有改变摩托罗拉香港设计中心的命运,这个设计中心最终不复存在。

在工业控制领域,68K内核进化为ColdFire[vii]ColdFireHP的中低端打印机中取得的成就几乎是最后的绝唱。在通信领域,摩托罗拉半导体抛弃了基于68K内核的MC68360,研发出基于PowerPC架构的MPC860处理器。这颗处理器是通信时代的经典之作,摩托罗拉半导体陆续推出了一系列基于PowerPC内核的通信处理器,却再也没有重现MPC860时代的君临天下。近期推出的QorIQ[viii]系列处理器面对多核MIPS处理器总是滞后一拍。

摩托罗拉半导体,昔日的王者优雅地没落。摩托罗拉半导体于1955年推出第一个锗晶体管,开创了半导体集成电路产业,在整个60年代一骑绝尘,70年代末迎来了68K的辉煌。即使在1985年,摩托罗拉还是全球第三大半导体公司。而怀抱通吃整个产业链的野心,对封闭式系统的挚爱,使摩托罗拉连同半导体部门在同一棵石头上跌到了一次又一次。至21世纪,摩托罗拉半导体(Freescale)的排名在十名左右,2009年的排名仅为第17位。

击败了摩托罗拉半导体的Intel没有感到一丝喜悦,更多的是寒气。2006年,Intel的业绩跌入低谷,这也使得当时的CEO贝瑞特作出了一个艰难的选择,2006627日,IntelPXA系列处理器出售给了Marvell[12]

Intel虽然保留了ARM处理器的授权,却已彻底退出了ARM阵营。这是Intel一个非常谨慎而且坚决的选择。Intel需要扑灭后院的熊熊烈火。在PC领域,AMD率先推出了64位的K8处理器[75],并在2005Computex 上,发布双核处理器Athlon 64Intel x86最引以为豪的性能优势已不复存在。

这段时间Intel只能依靠工艺与强大的商务能力与AMDAthlon64处理器周旋。200811月,Intel正式发布基于Nehalem内核,用于台式机的Core i7处理器[76],用于服务器的Xeon处理器,Core i3/i5也如期而至。Nehalem内核使Intel彻底战胜了AMD。这颗处理器也是Intel开始研发x86处理器以来,第三个里程碑产品,之前的两个里程碑分别是80386Pentium Pro。从这时起AMD处理器在性能上再也没有超过IntelIntel解决了最大的隐患后,却发现ARM处理器已非吴下阿蒙。

ARM7之后,ARM8内核于1996年发布。ARM8内核生不逢时。与ARM7相比,AMR8在没有显著提高功耗的前提下,性能提高了一倍,依然无法和DECStrongARM抗衡[77][78]。仅有少量手机在原型设计中考虑过使用ARM8内核,ARM也仅为用户提供了CPU样板。

ARM8的失败并没有阻碍ARM内核的进一步发展,与StrongARM的竞争没有消减ARM阵营的实力,反而激发了ARM处理器不断向前的动力。1997ARM9正式发布,DMIPS指标首次超过了1.0大关。ARM9是一个重要的里程碑产品。这个产品标志着ARM处理器正式进入微处理器领域,而不再是简单的微控制器。

ARM9ARM73级指令流水线提高到5级,与StrongARM使用的流水线结构较为相似。进一步细化的流水线使得ARM9最高的时钟频率达到220MHz,而ARM8仅为72MHz[78]ARM9进一步优化了LoadStore指令的效率,ARM9不再使用普林斯顿结构,而转向哈佛结构,使用了独立的指令与数据Cache

ARM9的指令执行部件分离了MemoryWrite Back阶段,这两个阶段分别用于访问存储器和将结果回写到寄存器。这些技术的应用使得ARM9可以在一个周期内完成LoadStore指令,而在ARM7中,Load指令需要使用3拍,而Store指令需要使用2拍。

ARM9可以通过增强的编译器调整指令顺序来解决RAW(Read-after-Write)[ix]类相关。ARM9的这些功能增强,使得在相同的工艺下,其执行性能是ARM7的一倍左右[79]ARM7并没有被淘汰,简练的设计极大降低了功耗,Apple20011023[80]发布的iPod依然使用了ARM7处理器[81]

ARM7ARM9的合理布局,使得ARM阵营迅猛发展。基于ARM7ARM9内核的SoC处理器迅速遍及世界的每一个角落。ARM内核依然在前进。1998年的EPF(Embedded Processor Forum) ARM10内核正式推出。2000412日,Lucent发布了第一颗基于ARM10的处理器芯片[83]

ARM10内核的设计目标依然是在相同的工艺下,双倍提升ARM9的性能。而提高性能的第一步是提高指令流水线的时钟频率,而流水线中最慢的逻辑单元决定了时钟频率。ARM10使用了6级流水线结构,但并不是在ARM95级流水线的基础上增加了一级,而是进行了细致取舍而调优。最终的结果是在使用相同的工艺时,ARM10内核可使用时钟频率为ARM9内核的1.5[82] [84]

ARM10内核重新使用了ARM8内核的系统总线,将ARM932位系统总线提高到64位。这也使得ARM10可以在一个时钟周期内完成两条寄存器与存储器之间的数据传递,大幅提高了Load MultipleStore Multiple指令的效率[84]

ARM10改动了Cache Memory系统,与ARM9相比提高了存储器系统的效率。ARM10的指令与数据Cache使用虚拟地址,64路组相连结构,引入了高端处理器中流水线与Cache交换数据的Streaming BufferCache Line filling部件[84]

ARM10内核优化了存储器读指令。实现了最为简单的乱序执行机制。当一条存储器读指令没有执行完毕,其后不相关的指令可以继续执行。ARM10对乘法指令进行了特别的优化,设置了一个新型的16×32的乘法和乘加部件,还设置了两级乘法指令流水,使得每一个时钟周期可以执行一条乘法指令[84]。同时ARM10内核增加了对浮点运算的支持。

从技术的角度上看,ARM10远胜过ARM9,但是没有办法在商业上与ARM9一较高下。ARM10的命运与ARM8惊人的一致。生不逢时的ARM8StrongARM不期而遇,ARM10XScale生活在同一年代。

Intel的工程师面对ARM的指令流水线耐不住技痒,ARM10的指令流水线与之前的ARM内核相比,可以说是一个飞跃,而与同年代的高端处理器相比只是一个玩具。Intel的帮助极大促进了ARM处理器的发展。

Intel在保证XScale架构低功耗的同时,引入已经在Pentium Pro系列处理器上非常成熟的Superpipelined RISC技术[85],借助Intel的工艺优势,使得XScale处理器的最高运行频率达到了1.25GHz[86]。此时Intel开发的处理器步入了高频低能的陷阱,1.25GHzPXA3XX性能仅比624MHzPXA270的执行效率高25%[86]

XScale架构并没有使Intel盈利。ICG(Intel Communication Group)部门和WCCG(Wireless Communications and Computing Group)部门给Intel带来的是巨额亏损,ICG2002~2004年的亏损分别为$817M, $824M$791M[87]20031211日,Intel宣布将WCCG合并到ICG中,并在200411日生效。

这次合并没有挽救XScale的命运。在2006年,AMD的步步紧逼使Intel迎来了20年以来最糟糕的一季财务报表。Intel开始了有史以来最大规模的裁员。2006713日,Intel宣布取消1000个经理职务[89]200695日,Intel裁员10%[90]

在此之前IntelXScale处理器中Marvell还愿意接收的部分出售[12]Marvell需要的并不是XScale内核,而是IntelDEC获得的对ARM指令集的完整授权,很快Marvell推出了基于标准ARM v5/v6/v7的处理器,而不再单独依靠XScaleXScale,这个几乎耗尽Intel全部心血的架构,已经走到了最后尽头。

Intel退出ARM阵营,不是因为缺少$600M现金。和许多人预料的并不相同,Intel并不是为了主推Atom处理器,而放弃XScale。而是因为Intel用长达八年的时间发现了一个事实,ARM的廉价License策略并不能使之获利,而必须做Atom

ARM的廉价License的获益者是ARM自身,随着处理器厂商的不断加入, ARM阵营获得了迅猛发展,这也加速了处理器厂商的优胜劣汰。但是Intel发现的事实依然适用于所有正在使用ARM授权的半导体厂商。

最令ARM内核尴尬的是,依靠这个号称最为开放的处理器内核,获取暴利的是一些做着史上最为封闭系统的公司。凭借ARM内核,Qualcomm3G专利找到了最佳载体,Apple不断兜售着各类新奇的电子设备。来自通信领域的Cisco,华为陆续加入ARM阵营。ARM,这个来自半导体领域的处理器,并没有使这个领域受益。ARM的出现,极大降低了处理器的设计门槛,使得单纯依靠半导体技术,为做处理器而做处理器的厂商举步维艰。

Intel首当其冲。Intel的错误在十几年前已然犯下。贝瑞特本应该做出对Intel最为有利选择,从DEC那里获得StrongARM后,再亲手终结StrongARM。贝瑞特不经意的失误为Intel的未来树立了一个强大的对手,也使整个处理器世界更加精彩。

ARMXScale处理器中获得了足够的能量,可以不依赖任何厂商。他们的命运已经牢牢地掌握在自己手中。200212月,ARM1136内核发布[91]2004719日,ARM1176内核发布[92]2005310日,ARM1156内核发布[93]。在此之前的ARM处理器虽然得到了广泛应用,但是从纯技术的角度上看这些处理器微不足道。

ARM11基于ARMv6指令集,之前ARM还开发了V1V2V2aV3V4V5指令集。ARM使用的内核与指令集并不一一对应。如ARM9使用V4V5指令集,XScale使用V5指令集。ARM7最初使用V3,而后使用V4,最后升级到V5。在ARM指令集后还包含一些后缀如ARMv5TEJ,其中T表示支持Thumb指令集,E表示支持Enhanced DSP指令,而J表示支持Jazelle DBX指令。

ARM v4包含最基础的ARM指令集;v5增强了ARMThumb指令间交互的同时增加了CLZ(Count Leading Zero)BKPT(Software Breakpoint)指令;ARMv5TE增加了一系列Enhanced DSP指令,如PLD(Preload Data)LDRD(Dual Word Load)STRD(Dual Word Store)64位的寄存器传送指令如MCRRMRRCARM v4v5在指令集上变化不大,v5也可以向前兼容v4指令集[94]

v6指令集并不能100%向前兼容v5的指令集。由于ARMv6对存储器访问模型的大规模更改,完全的向前兼容不再可能。从x86处理器苛求的向前兼容的角度上看,这些改动并不完美,正是这些不完美使ARM内核轻装前进。

ARM的指令集使用RISC架构,但是在ARM指令集中依然包含许多CISC元素。与PowerPC指令集相比,ARM的指令集凌乱得多,这为指令流水线的译码部件制造了不小的麻烦。在ARM内核包含三类指令集,一个是32b长度的ARM指令,一个是16b长度的Thumb指令,还有一类由8位组成的变长Jazelle DBX(Direct Bytecode eXecution)指令集。在ARM架构为数不多的指令集中,有两类指令值得特别关注,一个是Conditional Execution指令,另一个是移位指令。

绝大多数ARM的数据访问指令都支持条件执行功能。所谓条件执行是指指令可以根据状态位,有选择地执行。使用这种方式可以在一定程度上降低条件转移指令预测失败时所带来的系统延时。在计算GCD(Greatest Common Divisor)时,ARM的条件执行指令发挥了巨大的作用,如2所示。


ARM与x86之3--蝶变ARM
2 gcd算法的实现[94]

 

通过上图可以发现由于SUBGTSUBLE指令可以根据CMP指令产生的状态决定是否执行,因此显著降低了代码长度。ARM指令集还对移位操作进行了特别的处理,ARM不含有单独的移位指令,使用了Barrel Shifter技术,与其他指令联合实现移位操作,使用这种方法可以有效提高某些运算的效率,如3所示。

 

ARM与x86之3--蝶变ARM
3 Barrel Shifter的使用

 

这些特殊的指令使ARM内核有别于其他处理器内核,但并不意味着极大提高了执行效率。首先CMP指令,SUBGTSUBLE指令有较强的相关性,不能并发执行。此外现代处理器的条件预测单元也可以极大降低条件转移指令的命中率。一些处理器,如x86CMOV指令和PowerPCisel指令使用了更小的代价实现了ARM的条件执行功能。

ARM内核在条件执行指令时占用了4个状态位,影响了指令集和寄存器的扩展。在绝大多数RISC处理器中具有32个通用寄存器,而ARM内核仅有16个通用寄存器[x]ARM的特殊移位操作,增加了指令的相关性,在有些情况下,不利于多发射流水线的实现,也增加了指令流水中预约站RS(Reservation Station)的实现难度。

计算机体系结构是一个权衡的艺术,尺有所短,寸有所长。不同的内核都有自己最为合适的应用,不经过认真的量化分析不能轻易得出孰优孰劣的结论。不过仍有一个结论,在现阶段依然适用,处理器领域历经多年的优胜劣汰,所剩无几的处理器内核在激烈的竞争中日渐趋同。

ARM11内核使用了现代处理器中常用的一些提高IPC的技术,这是ARM处理器的一个重要里程碑。ARM11内核引起了计算机科学的两个泰山北斗,David A. PattersonJohn L. Hennessy的注意。他们以ARM11内核为主体,而不再是MIPS,书写了计算机体系结构的权威著作,《Computer Organization and Design, Fourth Edition: The Hardware/Software Interface》。这也是学术界对ARM处理器有史以来的最大认可。

ARM11可以支持多核,采用了8级流水线结构,率先发布的内核其主频在350~500MHz之间,最高主频可达1GHz。在使用0.13μm工艺,工作电压为1.2V时,ARM11处理器的功耗主频之比仅为0.4mW/MHzARM11增加了SIMD指令,与ARM9相比MPEG4的编解码算法实现速度提高了一倍,改变了Cache memory的结构,使用物理地址对Cache行进行索引[95]ARM11终于使用了动态分支预测功能,设置了64Entry4个状态的BTAC(Branch Target Address Cache)[95]

ARM11进一步优化了指令流水线对存储器系统的访问,特别是在Cache Miss的情况之下的存储器读写访问。在ARM11内核中,当前存储器读指令并不会阻塞后续不相关的指令执行,即便后续指令依然是存储器读指令,只有3个存储器读指令都发生Cache Miss的情况,才会阻塞指令流水线[95]

虽然ARM11没有使用RISC处理器常用的out-of-orderSuperscaler技术,在一个时钟周期之内仅能顺序发射一条指令,但是支持out-of-order completion功能,即在执行单元中的不相关的指令可以乱序结束,而不用等待之前的指令执行完毕。

ARM11的这些功能增强,相对于ARM9/10是一个不小的技术飞跃。但是与其他处于同一时代的x86PowerPCMIPS处理器相比,仍然有不小的差距。ARM11内核的存活之道依然是性能功耗比。

依靠着强大的性能功耗比,ARM11内核取得了巨大的商业成功。ARM11内核并不是一个性能很高的处理器,但是随着处理器性能的不断提升,量变引发了质变。ARM11内核的出现,使得Smart Phone的出现成为可能。

在此之前,基于ARM9XScale处理器的手机只是在Feature Phone的基础上添加了少许智能部件。ARM11的出现加速了手机阵营的优胜劣汰,AppleHTC在智能手机领域异军突起,Motorola一蹶不振。ARM11之后,ARM迎来了爆发式增长,迅速陆续发布了Cortex A8A9内核。

ARM处理器内核的快速更新,使Nokia这个对新技术反应迟钝的公司,一步步走向衰退。在20109月底开始出货的Nokia N8[96],居然还在使用着680MHz主频的ARM11处理器[97],这款产品却号称是Nokia最新的旗舰产品,它的竞争对手早已使用了1GHz主频的Cortex A8处理器。

Cortex处理器是一个分水岭,从1983年开始的ARM内核,迎来了一颗真正意义的现代处理器。ARM已经破茧成蝶,不再是低功耗伴随着低能的处理器。从这一刻起,ARM处理器具备了和Intel,一较高下的能力。201043日,AppleJobs正式发布iPadARM随之进入平板电脑领域[99]ARM已将战火烧到了Intel的后院。

抛弃了XScale架构的Intel,并没有放弃手机处理器。2009123日,NokiaIntel在手机领域建立长期合作伙伴关系[103]200964日,Intel收购Windriver[102]201054日,Intel正式发布用于智能手机和平板电脑,代号为Moorestown的处理器[100]2010829日,Intel收购Infinion的无线部门[104]。在2011年左右,Intel将发布用于智能手机,代号为Medfield的处理器[101]。一系列的合作与收购,使Intel具备了进入手机领域的能力。

至此ARM之于PC领域,x86之于手机领域的野心,已昭然若揭。201099日,ARM正式发布代号为Eagle5ARM9架构的Cortex A15内核,这颗处理器所关注的应用是高端手机,家庭娱乐,无线架构,还有低端服务器[98]Cortex A15向世人宣布除了PC,他们还要Server

ARM,这个曾被Intel鄙视,被其扶植,被其抛弃的处理器,直面挑战Intelx86处理器。这场较量是今后处理器领域510年的主旋律。最终结果将影响处理器领域今后20年的格局。不要认为ARM处理器没有进入PC领域的可能,也不要认为ARM处理器可以继续在手机领域中所向披靡。



[i] 苹果公司的两个创始人都叫Steve,一个是Steve Wozniak,另一个是众所周知的Steve JobsSteven WozniakApple IApple II的发明者。两个Steve19764月,在一个车库中成立众所周知的Apple

[ii] 英国的谷仓文化与美国的车库文化相近,是新技术的摇篮。

[iii] ARM公司从ARM3直接升级到ARM6

[iv] 我第一次准备使用的ARM处理器是Cirrus LogicEP7312。当时我还在使用AlteraEPLD,名称是EP7132,我偶尔混淆这两个芯片的名称。在一个机缘巧合之下,粗心的采购将我需要购买的EP7132买成了EP7312,这颗芯片也是我购买的第一颗ARM处理器。

[v] 当时的处理器价格高得离谱,50美金已经是很廉价了。

[vi] 我从SA1110开始接触ARM处理器,那是一个永远值得回忆的时代。

[vii] 我在摩托罗拉半导体部门第一次接触的就是Coldfire处理器,目前这颗处理器仍然在不断发展中,这颗芯片与68K在汇编语言层面兼容,但是目标代码并不兼容。

[viii] QorIQ系列处理器基于E500 mc内核,与E500 v2有些微小差异。我的第一本著作是基于E500内核的《Linux PowerPC详解核心篇》,当时准备写一套丛书,包括核心篇和应用篇。应用篇主要写外部设备,后来的《PCI Express体系结构导读》源自《Linux PowerPC详解应用篇》,应用篇应该包含网络协议,PCI ExpressUSB总线,后来把网络协议部分和USB总线部分删掉了。

[ix] 在处理器体系结构中,重点关注的有三类相关问题,RAWWARWAW。使用寄存器重命名技术可以解决WARWAW相关。

[x] 考虑到ARMARM11内核之前都不支持动态分支预测,和多发射,使用条件执行指令还是能够提高ARM7/9内核的执行效率。

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