embeddedprocessorv11.1

1、嵌入式嵌入式cpu發(fā)展介紹發(fā)展介紹費浙平費浙平 新車間新車間 * 2011.102diverse applicationsfragmented architectures 各種各種cpu架構的應用現(xiàn)狀架構的應用現(xiàn)狀 (32位及以上位及以上)desktopnotebookwindowsworkstationms officeserverstbdtvcellphonee-readerpndnetbookdsctablet2g/3giptvhome gatewaystorage10g/100gopticalswitch/routerhome cecomputingmobile ceinfrastru

2、cturenetworking/cloudcpu應用應用embedded controller3x86 架構架構v 1978 8086 (16-bit)v 1985 80386 (32-bit)v 2003 athlon (64-bit)v intel 成立于1968年，1971年起開始cpu設計v amd 成立于1969年，1975年起開始反向cpu設計v x86陣營是陣營是cpu結構體系理論工程實現(xiàn)的先行者；永遠值結構體系理論工程實現(xiàn)的先行者；永遠值得我們尊敬得我們尊敬4arm 架構架構v arm 架構架構 from 1985；源于acorn公司一個工程項目 從1995年的arm7tdmi

3、開始成功；由手機的普及而興起 32位架構v arm 公司公司 成立于1990年 ipo in 19985mips 架構架構v mips 架構架構 from 1981年；源自斯坦福大學的risc研究項目 80年代后期至90年代早期，在圖形工作站和服務器領域風行一時；90年代末開始以授權形式在嵌入式領域流行 32位和64位架構v mips 公司公司 成立于1984年；由斯坦福大學的risc項目教授創(chuàng)建 90年代早期被sgi收購，與intel在高端處理器領域大戰(zhàn)多年 ipo in 1989; re ipo in 19986risc的精髓的精髓v 優(yōu)美的架構定義優(yōu)美的架構定義 適合于流水線的高效操作v

4、 規(guī)則的指令格式規(guī)則的指令格式 簡化硬件設計v 簡單的尋址模式簡單的尋址模式 簡化軟/硬件設計簡潔簡潔規(guī)則規(guī)則高效高效mips是是cpu結構體系中最優(yōu)雅的架構之一結構體系中最優(yōu)雅的架構之一7嵌入式嵌入式cpu熱點技術熱點技術v 架構架構 32位、64位 混合指令集v 單核技術單核技術 頻率 (clock frequency) 超標量 (superscalar) 多線程 (multi-threading) dsp擴展 (dsp extension) v 多核技術多核技術8只是跟隨只是跟隨intel嗎？嗎？166mhz200mhz500mhz1ghz2ghz3ghz64位mmx超標量超線程雙核頻率

5、架構擴展流水線技術多核9功耗、功耗、功耗！功耗、功耗、功耗！10v 指令集指令集 mips32 mips16 micromipsv 處理器處理器 mips m4k mips 4k mips 24k mips 34k mips 74k mips 1004k mips 1074k mips m14kv 指令集指令集 arm thumb thumb-2v 處理器處理器 arm7 arm9 arm11 cortex a cortex a mpcore cortex marm and mips11mips架構架構mips64mips32v mips架構定義簡潔、規(guī)則、高效架構定義簡潔、規(guī)則、高效nris

6、c的精髓，實現(xiàn)現(xiàn)代結構體系理論的工程成本較少n同等條件下實現(xiàn)的性能和功耗具有明顯優(yōu)勢v mips架構定義完備性、前瞻性架構定義完備性、前瞻性mips32和mips64的骨干指令集架構；32/64之間擁有完整的二進制兼容性基礎架構版本穩(wěn)定、無需頻繁修訂；軟件兼容性極好v mips架構的可擴展性架構的可擴展性(ase：application specific extension)n可針對特定應用相關的重要特性做優(yōu)化補充n基礎架構仍舊保持穩(wěn)定，避免復雜的不兼容性問題mips ase12arm 架構架構13architecture featuresmipsarm性能功耗 / 效率代碼尺寸mipsarm

7、多核多線程多核多線程結構64位14混合指令集混合指令集v 32位處理器混搭位處理器混搭16位指令的歷史位指令的歷史v 32/16位混合指令的出現(xiàn)位混合指令的出現(xiàn)v arm thumbv mips16v arm thumb-2v micromipsv 好處和壞處好處和壞處15instruction coding16cpu 設計設計指令集和架構定義指令集和架構定義電路設計電路設計半導體制造工藝半導體制造工藝isaarchitecturemicro-architecturepipelineprocess17cpu 主頻提升主頻提升v 主要通過兩方面的改進主要通過兩方面的改進 拉長的流水線 制造工藝的

8、演進v 多數(shù)嵌入式應用的主頻要求其實比較固定多數(shù)嵌入式應用的主頻要求其實比較固定v 典型嵌入式典型嵌入式cpu主頻估計將不會超過主頻估計將不會超過2ghz 制約因素是功耗而非cpu設計問題 電池永遠是便攜式終端的嚴重障礙18單位頻率性能的提升單位頻率性能的提升v 必須尋求單位必須尋求單位mhz處理能力和效率的提升處理能力和效率的提升 超標量 極大提高性能 多線程 有助提高效率v 以及多處理技術的發(fā)展以及多處理技術的發(fā)展 多核mhz19超標量超標量 superscalarv 超標量：提高流水線并行度超標量：提高流水線并行度簡單超標量結構模型：雙發(fā)射5級流水線 pre fetchbuffer /

9、dispatchexecuteexecuteexecutecycleinstructionscycleinstructions架構定義極大影響多發(fā)射亂序超標量的效率和實現(xiàn)成本架構定義極大影響多發(fā)射亂序超標量的效率和實現(xiàn)成本20多線程多線程 multi-threadingv 在功耗限制條件下，并行處理是必然選擇在功耗限制條件下，并行處理是必然選擇 在單核中增加執(zhí)行流水線 當一個核的資源被充分利用，需考慮多核方案v 多流水線的內(nèi)核資源利用率可能極大下降多流水線的內(nèi)核資源利用率可能極大下降 多線程是在單核上對軟件模擬出多個邏輯處理器，通過提高內(nèi)核執(zhí)行單元利用率，以極小的硬件代價獲得相當比例的總體性能

10、和吞吐量提高21多線程處理模型多線程處理模型單核資源充分利用單核資源充分利用 + 多核并行處理多核并行處理execution pipelineinstruction queueexecution pipelineinstruction queueexecution pipelineinstruction queuethread 0thread 1thread 2thread 3execution pipelineinstruction queuethread 0thread 1thread 2thread 322多核多核 multi-processorv 多核使得頻率相同條件下處多核使得頻率相

11、同條件下處理性能倍增理性能倍增 處理器硬件復雜度和面積也倍增 需要軟件線程并行化 任務分配和管理開銷可控，但是優(yōu)化不易v 多核技術的領先應用領域是多核技術的領先應用領域是通信通信v 2核也開始在消費類中開始核也開始在消費類中開始應用應用多核和多線程技術的聯(lián)合使用是目前處理器理論和實踐中能多核和多線程技術的聯(lián)合使用是目前處理器理論和實踐中能實現(xiàn)的最強并行處理技術實現(xiàn)的最強并行處理技術23工藝！工藝！工藝！工藝！24benchmarking 的迷思的迷思v 有很多很好的處理器測試基準，但是沒有好的、可以橫向比有很多很好的處理器測試基準，但是沒有好的、可以橫向比較的測試基準較的測試基準v 測試條件很

12、重要，需要注意真實系統(tǒng)的真實性能測試條件很重要，需要注意真實系統(tǒng)的真實性能mips dmips coremark flops bdti eembc caffeinmark 。browserbench grinderbench dpibench etcpbench 。25芯片性能比較舉例芯片性能比較舉例cm/mhz(bigger is better)+ 30%+ 20%score public available at /benchmark/index.php?pg=benchmark (*) use non gcc compiler26嵌入式嵌入式c

13、pu展望展望v 計算機架構的理論體系已經(jīng)比較成熟，短時期內(nèi)突破性發(fā)展計算機架構的理論體系已經(jīng)比較成熟，短時期內(nèi)突破性發(fā)展的可能性不大的可能性不大 現(xiàn)階段基本著重于理論體系的工程實現(xiàn)v 多處理技術（多核和多線程）成為提高性能的主要手段多處理技術（多核和多線程）成為提高性能的主要手段 多處理的有效管理和實現(xiàn)效率將不斷提高（軟、硬件）v 持續(xù)受益于半導體制造工藝的進步持續(xù)受益于半導體制造工藝的進步 特別在低功耗上成為直接推動因素v 指令集架構數(shù)目將收斂但保持一定規(guī)模指令集架構數(shù)目將收斂但保持一定規(guī)模 8位、16位、32位、64位等 私有架構的開放架構并存27處理器處理器？ cpu ？定制硬件定制硬件

14、通用通用dsp專用專用dsp/cpu通用通用cpu可配置處理器可配置處理器性性 能能功耗功耗靈活性靈活性單位成本單位成本初始成本初始成本asicasspfpga28什么是什么是“通用通用”？autobench consumerbench denbench engergybench fpbenchnetworking oabench telebench29深度深度“優(yōu)化優(yōu)化”？greendroid: a mobile application processor for a future of dark siliconnathan goulding etc. department of compu

15、ter science and engineering, university of california, san diego30終極終極“機器機器”?v first stored program computer filled a room used 3.5kw of electrical power at 700hzv current high efficiency 32-bit cores 0.02mm2 with 100k transistors 100 dmips per mwv 1010 times better power efficiencyv spinnaker proje

16、ct 25w per neuron for complete cpu + linksv you and me 25pw per neuronv 106 power efficiency to find.31cpu的業(yè)務模式的業(yè)務模式v 自有架構做芯片自有架構做芯片v ip licensev architecture license32architecture licensev 自主掌握自主掌握cpu核心設計能力核心設計能力v 自主掌握自主掌握cpu核心的規(guī)格定義核心的規(guī)格定義v 自主掌握產(chǎn)品設計日程和發(fā)展路線圖自主掌握產(chǎn)品設計日程和發(fā)展路線圖v 產(chǎn)品安全性和成本更可控產(chǎn)品安全性和成本更可控, 經(jīng)濟代價最小經(jīng)濟代價最小v 需要能夠真正完整設計好需要能夠真正完整設計好cpu核心核心v cpu的性能、功耗等技術指標取決于自己的能力水平的性能、功耗等技術指標取決于自己的能力水平v 優(yōu)勢發(fā)揮需要累積、不適合優(yōu)勢發(fā)揮