手机处理器架构进化历程

1、随着智能手机越来越普及， 消费者在选购手机的时候也越来越理性化， 除了关心 价格和外观之外， 手机的性能也成为了人们最关心的因素， 大家都知道， 处理器 是影响手机性能的最关键的因素， 像德州仪器、 高通、英伟达以及三星等主流的 处理器厂商， 大家都已经耳熟能详。 但是很多人并不知道， 其实它们采用的都是 同一个架构一一AR喋构，实际上，处理器采用的架构才是影响处理器性能的关 键因素。今天，笔者就和大家一起，聊一聊 ARM勺那些事。ARM架构简介ARM架构简介ARM（Advanced RISC Machine 的缩写）架构，被称作进阶精简指令集机器，是 一个32位精简指令集（RISC）处理器架

2、构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设 计。由于低成本、高效能、低耗电的特性，ARM处理器非常适用于移动通讯领域。为了大家更好的理解，我们不妨做个比喻，ARM架构就像是一座建筑的结构设计部分，而处理器就相当于一个完整的建筑， 只有有了稳定的结构作为基础， 才能 建造出各式各样的房子。换句话说，ARM架构只相当于一座建筑的框架，至于最 后建造出来的房子长什么样， 舒适度如何， 就是由处理器厂商自己决定了。 不过 有一点需要说明， 假如结构的设计值是十层， 容纳人数的上限是 100 人，那么最 后建好的房子也不能超过这个上限。 这也就是说， 采用相同架构的处理器， 性能 基本上已经锁定在一定的范围之内

3、， 不会有本质的区别。 所以，看处理器的性能 要先看架构。ARM架 构ARM授权方式ARM公司是一家知识产权供应商，本身并不参与终端处理器芯片的制造和销售， 而是通过向其它芯片厂商授权设计方案，来获取收益。ARM提供了多样的授权方式, ARM公司可以向芯片厂商单纯的转让设计方案的使用及销售权，比如德州仪 器，其旗下的OMA处理器是在原始ARM架构的基础上设计的，这种方式费用一 般比较低，所以，德州仪器的芯片售价也相对较低。对于一些具备自有设计技术的客户， 他们希望能对原始的AR喋构进行优化，以 便更好的适应到自己研发的芯片， 这样就会牵扯到授权架构修改的费用， 而且这 项费用也是相当昂贵的。比

4、如高通 Scropion 架构，三星的蜂鸟 Hummingbird 核 心等都是在 Cortex-A8 的基础上修改的。 一般这些优化过的处理器都要比采用原 始ARM架构的处理器性能更强。采用arM构的品牌ARM公司是全球最大的半导体知识产权核心供应商， 目前已经在移动电话领域占 据了 90%勺市场份额。超过100家半导体公司持有不同形式的 ARM授权。其中包 括In tel、IBM LG NEC SONY NXP（原PHILIPS）和NS等公司。也有包括微 软、升阳和 MRI 等一系列知名软件系统公司。ARM的设计是Acorn电脑公司（Acorn Computers Ltd ）于1983年开

5、始的开发计 划。 1 985年时开发出首款内核 ARM，1 经过三十年的发展，如今已经发展到运行 速度可达的Crotex-A15核心。接下来笔者就为大家介绍一下 ARM架构的发展历 程。因为ARM站前的ARM核心基本上都是应用在音乐播放器、游戏机、相机以 及计算器等电子产品中， 所以这部分笔者就不做过多介绍了， 以下笔者着重介绍 在智能手机中广泛应用的ARM9及之后的ARM架构。ARM9处理器系列ARM9处理器系列ARM系列于1997年问世，ARM9处理器系列包括 ARM926EJ-S ARM946E-SS ARM968E-处 理器。ARM926EJ-S?处理器具有一个采用Jazelle?技术

6、的增强型32位RISCCPU灵活 的大小指令和数据高速缓存、紧密耦合内存（TCM接口和内存管理单元（MMU）它 还提供单独指令和数据AMBA?AHB接口，适合基于多层AHB的系统。ARM926EJ-S 处理器可执行ARMv5TE指令集，其中包括功能得到增强的16 x 32位乘法器， 可进行单周期MAC运算，以及16位定点DSP指令，可增强多个信号处理应用程 序的性能并支持 Thumb? 技术。ARM内核ARM926EJ-St理器为入门级处理器，可支持完全版操作系统，其中包括Linux、WindowsCE和Symbian。因此，此处理器是众多需要完整图形用户界面的应用的 理想之选。ARM926E

7、J-被广泛的应用于智能手机处理器中。 其中德州仪器OMAP1 系列处理器、高通MSM6*S列处理器以及飞思卡尔、恩智浦半导体等都采用了 ARM926EJ-M 核。采用ARM926EJ-M核的产品智能手机当中，诺基亚的大部分 Symbian S60系统的智能手机，索尼爱立信 K 系列以及Walkma係列音乐手机，以及明基西门子和 LG部分手机都采用了 ARM926EJ-M 核。采用 TI OMAP 1710 处理器的手机OMAP 171（是一款采用ARM926EJ-M核的处理器，也是TI公司第一款采用90 纳米制程的处理器，制程的减小也就意味着工作电压的下降，OMAP171已经可以在一之间动态调

8、整，而普通待机状态下的耗电量仅为10mAh在当时来说，可谓节能高手。OMAP171最大工作频率可以达到220MHz 一级缓存已经提升为 32KB这样的性能在当时来说是相当强大的，当年诺基亚大部分智能手机都是采用的这颗核心， 这些手机包括： 诺基亚 6630、6680、6681、E50、E60、E61、E62、 E65 E70 N70 N71、N72、N73 N80 N90 N91、N92以及三星的 SGH-i600、 SGH-i607等，不过现在这样的性能已经明显过时了。Xscale 架构简介Xscale 架构简介XScale处理器主要用于掌上电脑等便携设备，它是In tel公司始于ARM/5

9、TE处理器发展的产品，2006年6月，In tel将其通信及应用处理器业务出售给 Marvell 公司。Xscale处理器将In tel处理器技术和ARM体系结构融为一体，致力于为 手提式通信和消费电子类设备提供理想的解决方案。并提供全性能、高性价比、 低功耗的解决方案，支持16位Thumby令和集成数字信号处理（DSP指令。目 前 XScale 的系列包括：PXA21Q代号 Sabinal ）/PXA25x（代号 Cotulla）, PXA26x 与PXA27x（代号Bulverde ）。其中主要用于智能手机种的处理器为PXA27xXscale PXA270 硬件结构图PXA27x系列（内部

10、代号 Bulverde） 包括了 PXA27C和 PXA271-PXA27几款处理 器。PXA270还内置了 In tel的无线MMX技术，显着提升多媒体性能，官方说法 是312MHZ的 CPU（PXA270系列中最低钟频的产品）将达到 520MHzARMDPU的多 媒体处理效能，而钟频达到 624MHz则可以具备775MHz ARM CP的表现！。采用 Xscale 处理器的机型PXA27x最高可达624MHz采用该处理器的产品主要有 HTC Universal、摩托罗 拉 E680系列、Rokr E2、Rokr E2、Zaurus SL-C1000 3000、3100、3200、Dell

11、Axim x30 、 x50 和 x51 系列等。PXA3xx最高可达 806GHz 代表机型：Samsung Omnia, Samsung SGH-i78QPXA900弋表机型：Blackberry 8700, Blackberry Pearl (8100)ARM1架构简介ARM1架构简介ARM1处理器系列所提供的引擎可用于当前生产领域中的很多智能手机； 该系列 还广泛用于消费类、 家庭和嵌入式应用领域。 该处理器的功耗非常低， 提供的性 能范围为小面积设计中的350MH到速度优化设计中的1GHZ45纳米和65纳米）。ARM1处理器软件可以与以前所有 ARM4理器兼容，并引入了用于媒体处理的

12、32 位SIMD、用于提高操作系统上下文切换性能的物理标记高速缓存、强制实施硬 件安全性的 TrustZone 以及针对实时应用的紧密耦合内存。ARM1结构图ARM1136亠S发布于2003年，是针对高性能和高能效的应用而设计的。 ARM1136J S是第一个执行ARMv架构指令的处理器，它集成了一条具有独立的load-store和算术流水线的8级流水线。ARMv6旨令包含了针对媒体处理的单指 令多数据流（SIMD扩展，采用特殊的设计以改善视频处理性能。 ARM1136JS 就是为了进行快速浮点运算，而在 ARM1136S增加了向量浮点单元。TI OMAP 2处理器德州仪器OMAP系列处理器采

13、用了 ARM113架构，其中TI OMAP 2420能管理130 400万像素的摄头和QVGR240X 320）分辨率的屏幕，支持蓝牙、红外和 高速USB专输，兼容A-GPS定位功能，可利用 WLAN功能无线上网，支持第三方 SD MM存储卡扩展，并可使用SD I/O设备，能处理400万甚至更高像素的静 态图片，能够记录30帧/秒的VGA（640X480）像素动态有声视频文件，能提供 接近Hi-Fi级的3D环绕音效，支持TV-OUT俞出功能，每秒可以计算200万个多 边形。代表产品为诺基亚N82、N93 N95等。高通骁龙 S1 处理器高通骁龙Snapdragon S1是针对当今大众市场的智能

14、手机所开发的处理器，该处理器运算速度最咼可达1GHz主频，是全球首款达到1GHz主频的移动单核产品。采用了 65nm工艺并集成Adreno 200图形处理器（GPU，采用ARM1 架构的处理器型号 MSM7627/7227主频为 600-800MHZ和 MSM7625/7225主频为 528MHzTegra 处理器 Tegra APX 2500芯片的制程是65纳米，核心频率 750MHz并集成256KB的L2 缓存。芯片亦内建 GeForce核心，支持 OpenGL ES和Direct3D Mobile 标准。APX 2500属于ARM 11 MPCore架构，其低耗电设计，使手提电话可以长时

15、间播 放音乐或高清影片。此外，它支持 720p的MPEG-右MPEG-4 AVC勺解码。输出 方面，它支持 HDMI 和双显示输出。之后推出的 Tegra APX 2600在 APX 2500基 础上增强了对NAND闪存的支持。2009年微软推出的ZuneHD中使用了 Tegra APX 2600芯片。Tegra 600 和 Tegra 650 两款型号，整合 ARM11 MPCore、影音处理器，Tegra 600 支持720p和VC-1影片解码，Tegra 650更支持1080p影片解码。该系列目前已 停产。ARM Cortex-A5 架构简介ARM Cortex-A5 架构简介ARM公司

16、在经典处理器 ARM1以后的产品改用Cortex命名，并分成A R和M三 类，旨在为各种不同的市场提供服务。Cortex系列属于ARMv7架构，这是ARM公司最新的指令集架构。ARMv架构定义 了三大分工明确的系列：“ A”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户 应用；“R系列针对实时系统；“ M系列对微控制器。由于应用领域不同，基 于v7架构的Cortex处理器系列所采用的技术也不相同，基于v7A的称为Cortex-A系列，基于v7R的称为Cortex-R系列，基于v7M的称为Cortex-M系 列。Cortex-A5 是 Cortex-A 家族中最低端的，其特点是功耗较低，单位功耗的效

17、能 很高，性能优于ARM爭口 ARM11适合应用在千元级的低端产品市场。Cortex-A5 结构图Cortex-A5 内部核心数目TrustZone 安全技术以及1-4 核可选，同时与 Cortex-A8 一样内部使用了NEO多媒体处理引擎，并能与Cortex-A8/A9处理器实现完全的应用兼容采用四核配置时，SOCS片内部还可搭配Mail GPU或由用户 按需求配用 PowerVR MBX/SGX GPUCortex-A5 架构功耗、性能、面积Cortex-A5 处理器和 Cortex-A8 与 Cortex-A9 一样基于 ARM V7架构，采用 40nm 低功耗制程技术制作，默认工作电压

18、，单核核心频率480MHz四核核心频率可达1GHz含缓存的核心面积最小仅1平方毫米，一级缓存容量最大64KB,功耗/频 率比参数为 MHz。相比之下Cortex-A8处理器则采用65nm制程工艺制作，核心频率650MHZ65nmLP 工艺）/（65nmGP工艺），内建二级缓存，二级缓存最大容量为 1MB 一级缓存 同为最大64KB.功耗/频率比参数为MHz高通骁龙 S1 处理器高通骁龙S1部分处理器采用了 Cortex-A5架构，其中MSM7627A/7227A主频为 和 MSM7625A/7225A主频为。ARM Cortex-A8 架构简介ARM Cortex-A8 架构简介ARM Cor

19、tex-A8处理器是第一款基于ARMv架构的应用处理器，Cortex-A8处理 器的速率可以在600MHz到超过1GHz的范围内调节，能够满足那些需要工作在 300mW以下的功耗优化的移动设备的要求；以及满足那些需要2000 Dhryst oneMIPS的性能优化的消费类应用的要求。Cortex-A8处理器是ARM勺第一款超标量处理器，具有提高代码密度和性能的技 术，用于多媒体和信号处理的 NEON技术，以及用于高效地支持预编译和即时编 译Java及其他字节码语言的Jazelle®运行时间编译目标（RCT技术。Cortex-A8 结构图TI OMAP3系列处理器采用了 ARM Cort

20、ex-A8架构，可提供比基于 ARM 11的处理 器多至三倍的性能增益，同时使得 3G手持终端具有可与笔记本电脑媲美的生产 力以及先进的娱乐功能。作为业界第一个将采用65nmCMO工艺设计的应用处理 器， OMAP 3430在降低内核电压并增加了降低功耗的特性的同时比以前的OMAP处理器系列具有更高的工作频率。OMAP 3430的代表产品为摩托罗拉里程碑、XT711、三星I8910、诺基亚N900 palm pre等。可以运行在800MHz!勺处理器 OMAP 3440的代表产品则为摩托罗拉 XT720， Archos 5 等。TI OMAP 3xxx 处理器OMAP 36）系列同样采用了 A

21、RM Cortex-A8架构，不过应用了更先进的 45纳米制 造工艺，其中 OMAB630主频 720MHzOMAP640主频 1GHz集成了 PowerVRSGX530GPU德州仪器OMAP 36）系列的代表产品有摩托罗拉 Droid X、Droid 2/里程碑 2、Defy/ME525、Defy+, Archos 7，诺基亚 N9等。ARM Cortex-A8 衍生品ARM Cortex-A8 衍生品 高通 Scorpion 架构Scorpion （天蝎座）是高通自家设计的基于Cortex-A8架构的处理器架构，并使 用ARM v7的指令集，具备了 13阶load/store 管线，还有两

22、个整数处理管线， 目标时脉是设定在1GHz至于Scorpion中的SIMD资料路径，不用时可关掉一 半，效能会好一些。目前已有 HTCDesire 、 HTCHD2、 Sony Ericsson X10、 Acer Liquid 加入Snapdragon阵营。Dell的平板电脑Stream采用第一代Snapdragon。 第二代Snapdragon芯片制程从65纳米进入45纳米，时脉也从1GHz提升至。高通骁龙 Snapdragon S2 产品系列高通骁龙Snapdragon S2全部采用45nm工艺制程，主频提升至，集成Adreno205 GPU支持HSPA高速网络，以及支持720p高清视频

23、播放。并且功耗相比第一代 处理器降低 30%。高通骁龙Snapdragon S2是针对高端单核智能手机而设计的。其特点在于拥有最 新设计和优化的多媒体子系统。整体性能以及电源管理能力上都有了很大的提 升。MSM8655/825为的Scorpion处理器，用于高端单核智能手机。代表机型：索尼 爱立信 LT18i 和 HTC Desire S 。MSM7630/723为的Scorpion处理器，虽然频率不高，但由于采用了新的工艺和 设计，性能上比第一代1GHz的处理器性能更强。代表机型：华为U880O高通骁龙 Snapdragon S3 产品系列高通骁龙Snapdragon S3为双核Scorpi

24、on处理器，依然采用了 45nm工艺，由于 采用异步的处理方式，在能耗方面比其他的双核处理器会有比较明显的优势。MSM8660/826采用了双核Scorpion处理器，主频。用于高端双核智能手机，代 表机型 HTC Sensation 和小米手机。三星 Hummingbird 核心 三星蜂鸟 hummingbird 核心同样是在 cortex-A8 基础上，进行修改增强的一款核 心，采用这款核心的代表产品便是三星 S5PC110/S5PV21苹果A4核心。而 hummingbird 核心也正是三星和苹果合作研发而来。在实测性能上，较其它普通 A8核心的CPU相比，拥有了成倍的增长。三星蜂鸟 h

25、ummingbird 处理器三星S5PC110/S5PV21可以说是世界上最强的 cortex-A8 架构方案芯片，它在原cortex-A8 的基础上，进行了大幅度的优化，在性能上也获得了大幅度的增长，基本上，能够达到同等架构的CPU效能的1倍以上。采用该处理器的机型有三星I9000，魅族M9等。苹果A4处理器苹果A4处理器苹果iPhone 4和苹果iPad以及iTouch 4都采用了这个和三星S5PC11C处理器 相近的A4处理器，不过苹果作了更多的优化，尤其是苹果A4将负责视频硬解的 VXD370改成了 VXD375, GPU和内存的直连也令PowerVR 535的实际表现要超越 三星S5

26、PC110勺PowerVR 540处理器。但归根结底，苹果 A4处理器还是一个基 于 ARM Cortex-A8 核心的高性能处理器。ARM Cortex-A9 架构ARM Cortex-A9 架构Cortex-A9是性能很高的ARMtt理器，可实现受到广泛支持的ARMv7体系结构的 丰富功能。 Cortex-A9 处理器的设计旨在打造最先进的、 高效率的、 长度动态可 变的、多指令执行超标量体系结构，提供采用乱序猜测方式执行的 8 阶段管道 处理器，凭借范围广泛的消费类、 网络、企业和移动应用中的前沿产品所需的功 能，它可以提供史无前例的高性能和高能效。ARM Cortex-A9 性能、功耗

27、和面积Cortex-A9微体系结构既可用于可伸缩的多核处理器 （Cortex-A9 MPCore?多核 处理器），也可用于更传统的处理器（ Cortex-A9 单核处理器）。可伸缩的多核 处理器和单核处理器支持 16、32 或 64KB 4 路关联的 L1 高速缓存配置，对于 可选的L2高速缓存控制器，最多支持8MB的 L2高速缓存配置，它们具有极高 的灵活性，均适用于特定应用领域和市场。TI OMAP 44xx 处理器2011年推出的 OMAP 4430是德州仪器公司的首个双核处理器型号，采用双核心ARM Cortex-A9 MP架构，相比Cortex A8内核整体提升了倍的性能。 OMAP

28、 4430 在同级双核里被喻为性能最优秀的处理器，拥有Tegra 2没有的NEON模块，拥有比E4210更小的发热量，拥有比MSM826更优秀的构架，所以拥有“怪兽级” 双核处理器之称。OMAP 4430勺代表产品有LG Optimus 3D，摩托罗拉里程碑3、 XT883,三星 i9100G，黑莓 PlayBook 等。Tegra 2 芯片在CES201C展会上，NVIDIA发布了全新的Tegra 2平台，这是全球首款双核处 理器，将智能手机带进了双核时代，Tegra 2跳过了 ARM Cortex-A8的阶段，直 接采用ARM Cortex-A9核心，采用台积电的40纳米制程制造，耗电量低

29、于之前 产品，Tegra 2可实现更快Wet浏览速度、更短响应时间以及更高整体性能，而 且还支持高清HD视频播放和HDMI接口。Tegra 3 四核处理器Tegra 3虽然名为“四核”，但是实际上内部包含了 5个CPU核心，其中一个被 称为“ Companion CPU core”协核心。NVIDIA将这种架构称为vSMP（可变对称 多处理，Variable Symmetric Multiprocessing ）。Tegra 3 中的 5个 CPC核心 均为 Cortex-A9 架构。不过， 其中四个主要核心最高可支持主频。 而最后一个协 核心最高频率仅 500MHz。ARM Cortex-A

30、15 架构ARM Cortex-A15 架构在Cortex-A9双核处理器初见端倪之后，ARM!次给大家带来惊喜，那就是 ARM 可能会推出一款四核芯片， 最快处理速度能够达到， 初步得知， 这款处理器型号 为 Cortex-A15 。 在还未上市的智能手机芯片当中， Cortex-A15 可能是目前听说 的主频最高的双核芯片了，据说，这款芯片除了将手机CPU运行速度提升至以外， 还可以支持超过4GB的内存，能力相当的惊人，不过可能离我们还有一段距离， 毕竟如此强劲的芯片的只有在更加强悍的硬件、 软件的支持下， 才能够正常的发 挥作用。ARM Cortex?-A15ARMCortex?-A15 MPCore? 处理器提供前所未有的处理功能，与低功耗特性相结 合，在 ARM 的各种新市场和现有市场上成就了卓越的产品，这些市场包括移动 计算、高端数字家电、服务器和无线基础结构。Cortex-A15 MPCore 处理器是 Cortex-A 系列处理器的最新成员， 确保在应用方 面