ARMv7的Cortex系列微处理器技术特点（2） 微处理器, Memory, 嵌入式, 技术, 影响

yuyang911220

3.1 ARM Cortex-R4处理器技术特点
　　Cortex-R4处理器结构如图3所示。该处理器支持手机、硬盘、打印机及汽车电子设计，能协助新一代嵌入式产品快速执行各种复杂的控制算法与实时工作的运算；可通过内存保护单元(MPU，Memory Protection Unit)、高速缓存以及紧密耦合内存(TCM，Tightly Coupled Memory)让处理器针对各种不同的嵌入式应用进行最佳化调整，且不影响基本的ARM指令集兼容性。这种设计能够在延用原有程序代码的情况下，降低系统的成本与复杂度，同时其紧密耦合内存功能也能提供更小的规格及更高效率的整合，并带来快速的响应时间。



　　Cortex-R4处理器采用ARMv7体系结构，让它能与现有的程序维持完全的回溯兼容性，能支持现今建立在全球各地数十亿的系统；并已针对Thumb-2指令进行最佳化设计。此项特性带来很多的利益，其中包括：更低的时钟速度所带来的省电效益；更高的性能将各种多功能特色带人移动电话与汽车产品的设计；更复杂的算法支持更高性能的数码影像与内建硬盘的系统。运用Thumb-2指令集，加上RealView开发套件，使芯片内部存储器的容量最多得以降低30％，大幅降低系统成本，其速度比在ARM946E-S处理器所使用的Thumb指令集高出40％。由于存储器在芯片中的占用空间愈来愈多，因此这项设计将大幅节省芯片容量，让芯片制造商运用这款处理器开发各种SoC(System on a Chip)器件。相比于前几代的处理器，Cortex-R4处理器高效率的设计方案，使其能以更低的时钟达到更高的性能；经过最佳化设计的Artisan Metro内存，则进一步降低嵌入式系统的体积与成本。处理器搭载一个先进的微架构，具备双指令发送功能，采用90 nm工艺并搭配Artisan Advantage程序库的组件，底面积不到1 mm2，耗电量低于0.27mW／MHz，并能提供超过600 DMIPS的性能。
　　Cortex-R4处理器在各种安全应用上加入容错功能和内存保护机制，支持最新版OSEK实时操作系统；支持RealView Develop系列软件开发工具、RealView Create系列ESL工具与模块，以及Core Sight除错与追踪技术，协助设计者迅速开发各种嵌入式系统。
　　3.2 ARM Cortex-R4F处理器技术特点
　　Cortex-R4F处理器结构如图4所示。该处理器拥有针对汽车市场而开发的各项先进功能，包括自动除错功能、可相互连结的错误侦测机制，以及可选择优化的浮点运算单元(FPU，Floating-Point Unit)。ECC技术能监控内存存取作业，侦测并校正各种错误。当发生内存错误时，ECC逻辑除通报错误并停止系统运作外，还会加以校正。它还拥有Cortex-R4系列的各项先进功能，能够透过高效能内存保护单元、高速缓存，以及紧密耦合内存，使处理器能针对各种不同的应用进行最佳化调整；同时将传统处理器中的错误侦测功能延伸至整个SoC中，系统会不断地扫描先前侦错的资料，以提升系统的可靠度。基于对安全性能的重视，Cortex-R4F处理器特别搭载了高分辨率内存保护机制，能严密控制独立的软件作业。
　　Cortex-R4F处理器中执行浮点运算的FPU，提供胜过固定小数点操作数的动态范围及精准度。该FPU与ARM其他处理器核心之间的FPU均维持回溯兼容性，并针对各种汽车应用常见的单精度处理作业进行优化。使用单倍精度格式，而非双倍精度的数值资料，不仅能将数据处理速度提升至2倍，更能维持必要的精度以提高SoC设计的效率。
　　Cortex-R4F处理器采用一套具备双指令发送功能的先进微架构，透过ARM Artisan Advantage程序库中针对90 nm工艺的优化，达到超过800 DMIPS的性能水准。Level 1内存松散的时序设计，使组件能使用高密度、低功耗的RAM，使在总成本中占有高比重的内存，能像处理器逻辑一样拥有节省空间的优势。在90 nm工艺下，占用空间不到1 mm2，且耗电量不到0.27 mW／MHz，有效地协助系统开发者降低成本与功耗。该处理器采用ARMv7ISA架构，能与已被全球数十亿台系统所采用的ARM程序代码维持回溯兼容性，并针对Thumb-2指令集进行最优化设计。运用Thumb-2指令，搭配ARM RealView开发套件，使芯片内部存储器的容量最大能缩减30％，大幅降低系统成本。此外，相较于内建在ARM946E-S处理器的旧版Thumb指令集，新技术能够提高40％的工作效能。