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ARM架构应用处理器与x86处理器

虽然目前市面上的 Android 3.0 平板清一色以 NVIDIA 的 Tegra 2 为主,不过这只是目前的情况,除了NVIDIA以外,老字号的 TI 以及 Qualcomm 早已虎视眈眈,不仅将推出双核产品,就连下一代的产品讯息也提前宣示,不让 NVIDIA 这个后起之秀专美于前。此外,韩系厂商包括 Samsung 、 LG 以及 Telechip 等厂商也纷纷向 ARM 授权完整的 Cortex-AX 核心架构,以及另一个行动 GPU 的新星、来自北欧,现在也隶属 ARM 旗下的 Mali 图形架构。跳转是这些架构以及未来规划的介绍。

相较于AMD与Intel,ARM显然对多数的消费者还是很陌生的名词,而多数人也会好奇,ARM架构生产的应用处理器到底跟Intel、AMD又有什么不同,又跟智慧手机与平板厂商提到的TI OMAP、Qualcomm Snapdragon、三星的蜂鸟(Hummingbird)、猎户座、飞思卡尔(Freescale)的i.MX,或是ST-Ericsson的应用处理器等有什么关系。先从ARM这家公司谈起,ARM成立于1991年,是一家出售IP的公司,所谓的技术知识产权,就有点像是卖房屋的结构设计图,至于要怎修改,哪边开窗户,以及要怎加盖其它的花园,就看买了设计图的厂商自己决定。而ARM的架构是采用RISC架构,如同它的名称一样,Advanced RISC Machines,RISC架构在当初的PC架构争霸战虽然败给Intel所主导的x86处理器架构,却默默在另外的领域成长壮大;小从硬盘转速控制、电信基地台的计算、汽车喷射引擎的控制、音响系统、相机引擎,大到电动机具的控制等等,都能够看见采用ARM授权架构处理器的身影。而有了设计图,当然还要有把设计图实现的厂商,而这些就是ARM架构的授权客户群,包括上述几家厂商以外,还有如Freescale、联发科、Telechip、新岸线等数不清的大小控制芯片与应用处理器厂商,都是采用ARM架构的授权客户。甚至多年前的Intel的XScale处理器,也是采用ARM的核心授权。延伸阅读:

2011年12月20日 05:05 出处:泡泡网 【原创】 作者:戴持 编辑:戴持

图片 1除了 Tegra 2 以外,在 ARM 阵营中还有许多的 GPU 解决方案,其中一个是 2011 年被许多厂商选择的后起之秀 Mali , Mali 原先是来自瑞典厂商 Logipard 的图形解决方案技术,在 2006 年被 ARM 所并购,并且成为 ARM 广泛授权的一部分,并且获得如三星、LG、ST-Ericsson 等厂商的青睐,在2010年的授权热门程度可说是 ARM 阵营第一。Mali 架构最大的特色就是拥有强大的反锯齿性能,不同于一般 GPU 架构反锯齿会消耗大量的带宽,导致效能下降,Mali 架构在开启 4x AA 时,占用的系统资源与未开启相差无几;对于高像素析度密度的手机屏幕,反锯齿的重要性也许没有那么重要,但是像素密度较低的平板,反锯齿的重要性会越来越高,这也是 Mali 架构所擅长的。今年厂商所采用的方案集中在 Mali-400 架构上,而下一代的 Mali T604 更是被寄予厚望的突破性架构。 Mali 架构共同的特色就是可以采用多 GPU 设计,以 Mali-T604 为例,可以采用单 GPU 、双 GPU 、三 GPU 甚至四 GPU 的架构,能够利用堆栈架构的特性,设计出满足符合不同市场与分辨率需求的架构。而另一个值得关注的厂商则是 TI 德州仪器,旗下的 OMAP 应用处理器亦是相当有竞争力的产品, Google 当初 Android 2.0 的 GED 产品 Motorola Droid ,就是采用 OMAP 3 应用处理器,OMAP 3向世人证明,不需要特别高的频率,也能藉由精密的多核分工方式取得更佳的效能。而TI新一代的 Cortex-A9 架构 OMAP 4 不仅只有包含高效能的运算核心,并且还融合省电的 ARM Cortex-M3 核心负责底层运算,搭配 Imagination Technilogies PowerVR SGX 540 GPU 核心,以及独家的内存双信道技术,双32bit的内存信道带给 OMAP 4 相较竞争对手更高的带宽,解放 CPU 与 GPU 的效能,并且针对多线程优化,实际的成果可从 BlackBerry PlayBook 的多线程展示看出 OMAP 4的强大效能。TI OMAP的设计概念,就是藉由多元的核心分摊 Cortex-A 主运算核心的负担,多媒体有专属的硬件译码核心,音效有音效的核心,相机控制也有相机的核心,另将底层运算交给 Cortex-M 核心;虽然这些作法也是各家 ARM 架构应用处理器发展的方针,不过 TI 还融合了独家的 DSP 数字信号处理器核心,虽然现在多媒体影音多半靠硬件译码核心处理,然而像是一些硬件译码核心无法支持的文件格式,或是最近火红的 2D、3D 转换,就能使用 DSP 辅助这些应用,不让主处理器的资源虚耗在这些不擅长的应用。另一个特色就是 OMAP 4 可以支持 1440 x 1200 分辨率,并且支持双屏幕加上1 HDMI 输出能力,最多同时可输出达三显示器,更易于创造双屏幕平板、裸视 3D 装置等差异化的产品,像是 LG Optimus 3D 就已经确定采用 OMAP 4作为应用处理器,提供裸视 3D 。图片 2而已经发表、预计在2012年推出的OMAP 5,则是导入全新的ARM Cortex-A15架构,并且结合新一代的Cortex-M4低功耗核心,Cortex-A15在与Cortex-A9同频率之下,效能能够提升1.5倍,更遑论Cortex-A15起始频率已经高达2GHz,效能也会更为提升。此外,OMAP 5也将采用28nm制程,除了运算效能提升3倍、图形效能提升5倍,平均功耗甚至降低60%。OMAP 5还可支持四组相机,除了可录制1080p影片以外,还能把2D图形实时转为S3D格式,甚至基于S3D相机,利用OMAP 5的处理效能结合TI的DLP微投影技术,进行多人的全身互动投影。另一个在主流Android平台从未缺席的高通,也虎视眈眈想要进军Android平板市场,像是与高通长期保持良好合作关系的HTC,就使用第二代Snapdragon MSM 8x55的高频率版本作为核心,不过这显然只是过度产品,高通重头戏则是放在第三世代Snapdragon的MSM8x60。图片 3MSM8x60的核心是基于ARM架构的变形,高通称之Scorpion,根据高通的说法,Scorpion针对电源管理方面大幅强化,相较标准的ARM架构拥有更佳的功耗表现。而图形架构方面,源自ATi行动GPU架构的Adreno又再次进化,新版的Adreno 220效能大幅超越第二世代Snapdragon的Adreno 205,并且相较Adreno 200,图形效能提升近4倍,甚至整体效能超越Tegra 2。另外,针对时下对于高质量影音以及外接显示的需求,影片的硬件译码能力也从MSM8255的720p提升到1080p,屏幕也能支持1440 x 900的WXGA分辨率,相机部份能够提供双16MP分辨率摄影镜头的支持。至于下一代的平台,也就是第四代的Snapdragon,预计将会有高达2.5GHz的频率,功耗还会相较现行产品降低65%,整合包括WiFi、GPS、蓝牙、FM以及基频调制解调器以外,还包括NFC与S3D立体影像的撷取与播放。至于最大的改变,就是导入更新一代的Adreno GPU架构,据称四核心的APQ8064所搭载的Adreno 320相较现行Adreno架构高出15倍的性能,而单核心的MSM8930搭配的Adreno 305也相较现有的Adreno提升达6倍以上的效能。至于针对智慧手机多任务需求的双核MSM8960整合Adreno 225,则会有相较现行Adreno高出8倍的效能。在第四世代的Snapdragon,将是在手持装置上实现与家用游戏机同等级图形效能的机会。

谈谈新窜起新操作系统平台 - Android平板电脑

图片 4ARM的架构相较于x86有哪些特点?相较于基于CISC的x86架构处理器,由于为了满足电脑产业发展而不断加入指令集,使得处理器日益庞大,但每个指令集用到的频率也越差越大,许多指令到后来已经相当少用,甚至是可以被新的指令所取代。而ARM架构则大幅简化架构,仅保留所需要的指令,可以让整个处理器更为简化,拥有小体积、高效能的特性。另外,ARM的架构老早就已经作到高密度整合,由于ARM授权的弹性以及核心架构单纯,ARM处理器架构可以很容易与其它专职的特殊核心,像是GPU、多媒体译码核心、基频调制解调器、I/O控制等架构整合,透过SoC(System On a Chip,系统单芯片)的方式,一颗小小的ARM架构应用处理器,完成近年x86架构处理器积极跨足的单芯片设计,并且透过各种不同的核心分工各司其职,ARM架构应用处理器的核心负担相较传统x86处理器低上许多,并且因为早前应用处理器的需求就是以低功耗为重点,即便如今效能不断提升,仍是以保有省电的特性为前提发展。ARM架构的另一个优点,就是自由性,只要像ARM买下核心授权,就可以与其它IP公司的方案以及这家授权客户本身的优势技术整合,虽同为同一世代的ARM核心架构,即便频率相同,结果也不同。不过这也使得ARM应用处理器光从基本规格是不一定能看出操作效能的,例如同样隶属高通Snapdragon,频率1GHz的第一世代旗舰QSD8x50甚至不敌频率仅800MHz的第二世代MSM7230。以目前最火红的几颗手机与平板的双核应用处理器选择的GPU架构为例,Tegra 2图形架构来自NVIDIA的GeForce ULP,TI OMAP 4430则是采用PowerVR SGX 540架构,Qualcomm MSM8660采用高通自家Adreno 220,三星Exynos 4210采用ARM的Mali 400 GPU架构,就已经足以产生这几颗处理器在效能表现的差异,更不用说细节的内存控制管理、电源管理、储存通道等架构产生的差异。谈到这些GPU架构,又是一段有趣的过去,GeForce ULP、Power SGX以及Adreno其实都在游戏机史上交手过,Nvidia的图形架构曾被用在微软第一代XBox以及PS3采用过,而PowerVR则是接连在SEGA Saturn以及Dreamcast出现,Adreno源自ATi行动图形部门,ATi的图形方案也被XBox 360以及Wii采用,可说这几家图形方案供货商过去在游戏机的战火,又再次烧回手机以及平板上。图片 5ARM的架构之所以在智能手机以及平板能够迅速窜红,苹果iOS装置可说是大功臣,在苹果之前,智能手机在市场上一直载浮载沉,虽然有着号称智能手机平台市占率第一的Nokia Symbian,以及Windows Mobile、Palm OS、BlackBerry等系统,不过当时的环境在缺乏行动网络为后盾,在线商店的概念也还未发展成型;一直到苹果以iPhone打响新世代智能手机第一炮后,市场才真正体认到智能手机原来可以是这么容易使用。iPhone的出现也间接带起市场对于ARM架构应用处理器的需求,不过光是苹果也无法带起市场对于ARM处理器的需求,如WM手机与Symbian也纷纷加入新一代智能手机战局,但是真正成为关键的,是Google Android宣布参战后,其它手机厂商取得一个相较过去成熟的通用智能手机平台,而各厂商又为了进行产品差异化,开始针对ARM架构应用处理器的效能以及硬件支持要求,使得过去发展缓速的ARM架构一下子热络起来,也让ARM架构一夕之间成为火热话题。

不错的知识,自己记录以备学习。

高通MSM8260/8660

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    高通的处理器可能是市面上最为常见的了,首先我们就来看一下高通的双核处理器。

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    现如今手机上使用的高通MSM8260和MSM8660这两款处理器除去支持的网络制式不一样和各机型默认的主频有所差异之外并没有其他区别,所以我们挑选了两款比较有代表性的机型-HTC G18和小米M1来进行跑分。

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小米(左)和G18(右)超级兔子跑分

    高通MSM8260/8660内置有两个应用处理器内核,原始主频均为1.5GHz,512KB 二级缓存(Cortex A9使用1MB L2 Cache),45纳米工艺,支持LPDDR2 1066的内存,采用高通基于ARM v7指令集而自行开发的Scorpion架构。

    另外MSM8260/8660内置高通自有的Adreno220 GPU芯片,支持使用Open GLES 2.0和Open VG 1.1技术的3D/2D图形引擎,支持1080P高清视频编解码和24位色WSXGA分辨率显示输出,整合低功耗GPS芯片和音频引擎芯片。而 Adreno220像素填充率和三角形生产率分别为532M/s和88M/s,比起之前的Adreno205像素填充率245M/s和三角形生产率42M /s的数据可视提高了一倍的水准。

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MSM8260/8660官方简介

    由于高通MSM8260/8660是一颗异步双核处理器,网上也有着异步双核效率大幅度落后于同步双核的说法。实际上MSM8260/8660的运作方式 全称叫做Asynchronous Symmetric Multiprocessing,Asynchronous SMP本质仍然是SMP,在处理器中,两个核心的p-state是独立的,可以动态根据负载调整每个核心的电压和频率,乃至直接关闭其中的一个核心,能够 节省电力。也就是说MSM8260/8660的运行方式并非之前网上盛传那种效率低下的Asymmetric Multiprocessing,但是异步双核的MSM8260/8660性能还是比同频率的Cortex A9构架处理器略低,1.5GHz的主频高通异步双核的性能≈Cortex A9框架1.2ghz的性能。

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之前误将Asymmetric MP理解为ASMP的图解

    不管怎么说,异步双核也是双核,高通MSM8260/8660的Scorpion架构和Cortex-A9一样支持原生双核,只是不同的双核实现方法也有 好有坏罢了;而独享的L2缓存和共享L2则没有绝对的优劣之分,都是可行的双核设计。而高通MSM9260/8660的异步双核中的一个核心可以独立工作 降低能耗也能一起工作提高效率,而且高通的Scorpion架构提升了Neon协处理器的运算性能,将传统Cortex-A8,A9标配的64bit Neon单精度浮点引擎升级为128bit,能提供更强劲的浮点运算支持,并且在不需要的时候可以关闭一半变成64bit以节省能源。

    高通MSM8X60是一款特立独行的处理器,在所有主流双核都采用了Cortex A9构架的时候却独自使用了Scorpion架构的异步双核,而Scorpion架构实际上比起Cortex A9还是要逊色一筹,高通到底是要特立独行还是只是想省事呢?而即高通的新处理器MSM8960则是采用了号称基于Cortex A15构架的Krait构架,同时高通也表示Krait构架要弱于Cortex A15构架,看来高通是要一条路走到底了。

NVIDIA TEGRA2

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    NVIDIA的TEGRA2是一颗面世较早的双核手机芯片。早在今年一月发售的,使用了TEGRA2处理器的LG Optimus 2X是世界上第一部上市的双核手机。

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