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1、嵌入式CPU发展介绍,费浙平 新车间 * 2011.10,Diverse applications Fragmented architectures,各种CPU架构的应用现状 (32位及以上),Desktop,Notebook,Windows,Workstation,MS Office,Server,STB,DTV,Cellphone,E-reader,PND,Netbook,DSC,Tablet,2G/3G,IPTV,Home Gateway,Storage,10G/100G,Optical,Switch/Router,Home CE,Computing,Mobile CE,Infrastr
2、ucture,Networking/Cloud,CPU应用,Embedded Controller,x86 架构,1978 8086 (16-bit) 1985 80386 (32-bit) 2003 Athlon (64-bit),Intel 成立于1968年，1971年起开始CPU设计,AMD 成立于1969年，1975年起开始反向CPU设计,x86阵营是CPU结构体系理论工程实现的先行者；永远值得我们尊敬,ARM 架构,ARM 架构 From 1985；源于Acorn公司一个工程项目 从1995年的ARM7TDMI开始成功；由手机的普及而兴起 32位架构 ARM 公司 成立于1990年
3、IPO in 1998,MIPS 架构,MIPS 架构 From 1981年；源自斯坦福大学的RISC研究项目 80年代后期至90年代早期，在图形工作站和服务器领域风行一时；90年代末开始以授权形式在嵌入式领域流行 32位和64位架构 MIPS 公司 成立于1984年；由斯坦福大学的RISC项目教授创建 90年代早期被SGI收购，与Intel在高端处理器领域大战多年 IPO in 1989; re IPO in 1998,RISC的精髓,优美的架构定义 适合于流水线的高效操作 规则的指令格式 简化硬件设计 简单的寻址模式 简化软/硬件设计,简洁,规则,高效,MIPS是CPU结构体系中最优雅的架
4、构之一,嵌入式CPU热点技术,架构 32位、64位 混合指令集 单核技术 频率 (clock frequency) 超标量 (Superscalar) 多线程 (Multi-threading) DSP扩展 (DSP extension) 多核技术,只是跟随Intel吗？,166MHz,200MHz,500MHz,1GHz,2GHz,3GHz,64位,MMX,超标量,超线程,双核,频率,架构扩展,流水线技术,多核,功耗、功耗、功耗！,指令集 MIPS32 MIPS16 microMIPS 处理器 MIPS M4K MIPS 4K MIPS 24K MIPS 34K MIPS 74K MIPS
5、1004K MIPS 1074K MIPS M14K,指令集 ARM Thumb Thumb-2 处理器 ARM7 ARM9 ARM11 Cortex A Cortex A MPCore Cortex M,ARM and MIPS,MIPS架构,MIPS64,MIPS32,MIPS架构定义简洁、规则、高效 RISC的精髓，实现现代结构体系理论的工程成本较少 同等条件下实现的性能和功耗具有明显优势 MIPS架构定义完备性、前瞻性 MIPS32和MIPS64的骨干指令集架构；32/64之间拥有完整的二进制兼容性 基础架构版本稳定、无需频繁修订；软件兼容性极好 MIPS架构的可扩展性(ASE：App
6、lication Specific Extension) 可针对特定应用相关的重要特性做优化补充 基础架构仍旧保持稳定，避免复杂的不兼容性问题,MIPS ASE,ARM 架构,Architecture Features,混合指令集,32位处理器混搭16位指令的历史 32/16位混合指令的出现 ARM Thumb MIPS16 ARM Thumb-2 microMIPS 好处和坏处,Instruction Coding,CPU 设计,指令集和架构定义,电路设计,半导体制造工艺,ISA Architecture,micro-architecture Pipeline,Process,CPU 主频提
7、升,主要通过两方面的改进 拉长的流水线 制造工艺的演进 多数嵌入式应用的主频要求其实比较固定,典型嵌入式CPU主频估计将不会超过2GHz 制约因素是功耗而非CPU设计问题 电池永远是便携式终端的严重障碍,单位频率性能的提升,必须寻求单位MHz处理能力和效率的提升 超标量 极大提高性能 多线程 有助提高效率 以及多处理技术的发展 多核,MHz,超标量 Superscalar,超标量：提高流水线并行度,简单超标量结构模型：双发射5级流水线 ,Pre Fetch,Buffer / Dispatch,Execute,Execute,Execute,cycle,instructions,cycle,in
8、structions,架构定义极大影响多发射乱序超标量的效率和实现成本,多线程 Multi-threading,在功耗限制条件下，并行处理是必然选择 在单核中增加执行流水线 当一个核的资源被充分利用，需考虑多核方案 多流水线的内核资源利用率可能极大下降 多线程是在单核上对软件模拟出多个逻辑处理器，通过提高内核执行单元利用率，以极小的硬件代价获得相当比例的总体性能和吞吐量提高,多线程处理模型,单核资源充分利用 + 多核并行处理,多核 Multi-processor,多核使得频率相同条件下处理性能倍增 处理器硬件复杂度和面积也倍增 需要软件线程并行化 任务分配和管理开销可控，但是优化不易 多核技术
9、的领先应用领域是通信 2核也开始在消费类中开始应用,多核和多线程技术的联合使用是目前处理器理论和实践中能实现的最强并行处理技术,工艺！工艺！,Benchmarking 的迷思,有很多很好的处理器测试基准，但是没有好的、可以横向比较的测试基准,测试条件很重要，需要注意真实系统的真实性能,MIPS DMIPS CoreMark FLOPS BDTI EEMBC CaffeinMark 。,BrowserBench GrinderBench DPIBench ETCPBench 。,芯片性能比较举例,CM/MHz,(Bigger is better),+ 30%,+ 20%,Score public
10、 available at http:/www.coremark.org/benchmark/index.php?pg=benchmark (*) use non GCC compiler,嵌入式CPU展望,计算机架构的理论体系已经比较成熟，短时期内突破性发展的可能性不大 现阶段基本着重于理论体系的工程实现 多处理技术（多核和多线程）成为提高性能的主要手段 多处理的有效管理和实现效率将不断提高（软、硬件） 持续受益于半导体制造工艺的进步 特别在低功耗上成为直接推动因素 指令集架构数目将收敛但保持一定规模 8位、16位、32位、64位等 私有架构的开放架构并存,处理器？ CPU ？,定制硬件,通
11、用DSP,专用DSP/CPU,通用CPU,可配置处理器,性 能,功耗,灵活性,单位成本,初始成本,ASIC,ASSP,FPGA,什么是“通用”？,AutoBench ConsumerBench DENBench EngergyBench FPBench Networking OABench TeleBench,深度“优化”？,GreenDroid: A Mobile Application Processor for a Future of Dark Silicon Nathan Goulding etc. Department of Computer Science and Engineer
12、ing, University of California, San Diego,终极“机器”?,First stored program computer Filled a room Used 3.5kW of electrical power at 700Hz Current high efficiency 32-bit cores 0.02mm2 with 100K Transistors 100 DMIPS per mW 1010 times better power efficiency Spinnaker Project 25W per neuron for complete CP
13、U + links You and me 25pW per neuron 106 power efficiency to find.,CPU的业务模式,自有架构做芯片 IP license Architecture license,Architecture License,自主掌握CPU核心设计能力 自主掌握CPU核心的规格定义 自主掌握产品设计日程和发展路线图 产品安全性和成本更可控, 经济代价最小,需要能够真正完整设计好CPU核心 CPU的性能、功耗等技术指标取决于自己的能力水平 优势发挥需要累积、不适合“短、平、快”公司和项目 如何获得主流的架构授权,HPC,- MIPS64 compatible + 200+ instruction extension + 300+ SIMD instructions 4-issue OoO superscalar + MP Enables PetaFLOPS Computation,低功耗消费电子,* Picture from Ingenic public slides.,Thank You!,