Лекция 8: Мультиядерные процессоры ARM-архитектуры

ARM Cortex-A9 MPCore

ARM Cortex-A9 MPCore поднимает пиковую производительность на новый высокий уровень при одновременной поддержке простоты решений и возможностей контроля потребляемой мощности, как на уровне процессора, так и на уровне системы в целом.

Процессор Cortex-A9 MPCore имеет возможность оптимизации про­изводительности приложений и по скорости выполнения, и по потребляемой мощности.

Основные возможности включают в себя следующее.

• Энергоэффективный суперскалярный конвейер производительностью более 2,0 DMIPS/МГц.
• Оптимизированный по производительности и потребляемой мощности кэш первого уровня совмещает минимальное время задержки и минимальное энергопотребление. Добавлен контролер кэша второго уровня, позволяющий осуществлять доступ с малыми временами задержки и высокой пропускной способностью к кэш памяти размером до 2 Мб.
• Мультипроцессор Cortex-A9 MPCore иллюстрирует практически линейную масштабируемость производительности на различных тестах.
• Процессоры ARM Cortex-A9 — и одиночный вариант ( рис. 8.3), и мультипроцессор — поддерживают ряд специфических расширений ARM-архитектуры, в том числе: DSP, SIMD, Jazelle , TrustZone, Intelligent Energy Manager (IEM ). В дополнение к этому ARM разработала ряд поддерживающих технологий для сокращения времени разработки и сокращения времени выхода продукта на рынок.

увеличить изображение
Рис. 8.3. Структура процессора ARM Cortex-A9

Данная поддержка включает в себя компоненты IP, системные средства разработки и отладки, библиотеку стандартизованных макроячеек и памяти — ARM Advantage.

Компоненты Physical IP включают широкий спектр продуктов, в том числе стандартную библиотеку макроячеек и реализаций памяти для создания высокопроизводительных и низкопотребляющих систем с процессором Cortex-A9. Стандартные макроячейки содержат модули регулирования энергопотребления, позволяющие динамически управлять режимами работы в целях оптимизации энергопотребления с применением таких технологий, как управление частотой, управление напряжением питания, блоки с различным напряжением питания. Библиотеки ячеек памяти также предлагаются с расширенными возможностями управления питанием.

Процессоры Cortex-A9 поддерживаются обширной библиотекой макроячеек PrimeCell fabric IP, включая: контроллер динамической памяти —PL341 DDR2; контроллер статической памяти — PL351; конфигурируемый интерфейс межсоединений — PL301 AXI; контроллер кэша второго уровня — PL310 L2 Cache Controller, оптимизированный для высокопроизводительных приложений с использованием процессоров Cortex-A9.

Приложение AMBA Designer tool позволяет разработчикам систем на кристалле (SoC) конфигурировать и оптимизировать подсистемы связей AXI и экспортировать их в стандарт EDA.

Средство разработки ARM RealView SoC Designer позволяет осуществлять быстрое расширение архитектуры, анализ производительности систем на основе Cortex-A9, а также разрабатывать драйверы и критически важные участки кода до того, как станет доступной аппаратная часть. Инструмент RealView System Generator предлагает средства моделирования поведения системы на основе ARM-кода.

Технология ARM CoreSight используется для быстрой отладки и уменьшения времени выхода продукта на рынок. Процессор применяет технологию Program Trace Macrocell для трассировки хода выполнения программы с поддержкой просмотра выполнения инструкций и включает ARMv7-совместимый отладочный интерфейс. Инструмент CoreSight design kit для Cortex-A9 расширяет возможности отладки и трассировки.

Среда разработки программного обеспечения ARM RealView Development Suite включает в себя генератор кода, оптимизированный по производительности и плотности кода, с поддержкой компиляции кода для расширения архитектуры NEON, отладки приложений для мультипроцессора Cortex-A9 MPCore при помощи инструмента RealView ICE and Trace. Процессор Cortex-A9 поддерживается также широким спектром отладочных плат и систем разработки прототипов, как в FPGA, так и в виде программных средств.

ARM Cortex-A5

Процессор ARM Cortex -A5 — самый маленький, низкопотребляющий, мультиядерный ARM-процессор, предназначенный для широкого круга устройств: от мобильных устройств типа смартфонов, коммуникаторов, мультимедийных проигрывателей и т. п. до встраиваемых пользовательских или индустриальных компьютеров.

Процессор Cortex-A5 ( рис. 8.4) предусматривает возможность миграции решений для большого количества лицензированных ядер, основанных на ARM926EJ-S и ARM1176JZ-S . Обладая производительностью лучшей, чем процессоры ARM1176JZ-S, при уровне энергопотребления и занимаемой площади ARM926EJ-S процессора, Cortex-A5 дает примерно двукратный прирост отношения "производительность/потребляемая мощность" по сравнению со своими популярными предшественниками.

Рис. 8.4. Структурная схема процессора ARM Cortex-A5

Производительность еще больше увеличивается в мультипроцессорной конфигурации Cortex-A5 MPCore .

Процессор ARM Cortex-A5 основан на одноканальном 8-стадийном конвейере с улучшенным блоком предсказания ветвлений. Достигаемая производительность — 1.5 DMIPS/МГц.

Одиночный процессор включает в себя 8-уровневый целочисленный конвейер, модуль NEON, блок вычислений с плавающей точкой. Все блоки процессора оптимизированы по потребляемой мощности и занимаемой площади.

Процессоры изготавливаются по 40-нм технологии, рабочая частота — 480 МГц, занимаемая на кристалле площадь — 0,53 мм² (без кэша — 0,27 мм²), размер кэша инструкций/данных — 16 Кбайт/16 Кбайт. Площадь, занимаемая процессором с кэшем и блоком расширения NEON — 0,68 мм². Энергопотребление — 0,12 мВт/МГц. Показатель энергоэффективности — 13 DMIPS/мВт.

Сравнительные характеристики ARM-процессоров представлены в таблице 8.1

Краткие итоги

Мультиядерные процессоры ARM представляют довольно мощную и энергоэффективную платформу для широкого класса приложений. Эти процессоры обладают возможностями мультимедийной обработки данных, поддержкой ряда технологий уплотнения кода и управления питанием. Они базируются на высокопроизводительной системной шине AMBA

Целевая область применения: мобильные устройства и встраиваемые системы различного применения — мобильные телефоны, смартфоны, коммуникаторы, мультимедийные устройства. Архитектура процессоров обладает весьма привлекательными свойствами: удобная и эффективная система команд, мощная поддержка при разработке и сопровождении продукта, как аппаратной базы, так и программного обеспечения, высокая энергоэффективность.

Контрольные вопросы

• Укажите основные общие черты мультиядерной технологии ARM.
• Опишите структуру процессора ARM11 MPCore.
• Опишите структуру мультиядерных процессоров Cortex-A MPCore.
• Укажите отличия процессоров Cortex-A5 MPCore и Cortex-A9 MPCore.

Упражнения

• Оцените пиковую производительность мультиядерных процессоров с ARM-ядрами.
• Проследите тенденции развития архитектуры ARM в разрезе производительности, энергопотребления, памяти.