arm11

什么是手机硬件

功能手机一般只含有基带芯片组，也就是所谓BP。而智能手机，则含有AP和BP两个部分。AP，应用程序处理器(Application Processor)，负责大部分应用程序的执行。而BP，基带处理器(Baseband Processor)，也称为通信处理器(CP，Communication Processor)，负责所有通讯软件的执行。功能手机例子：LG Electronics Cyon LG-KP4000[1]手机支持CDMA 2000，采用高通的芯片，其中包含高通MSM 6100，一般说到CDMA芯片的时候，实际上它基本上分四个部分，第一个部分是MSM芯片，就是一般手机终端用的基站芯片，它有调制解调、多媒体功能等等。另外两个部分是RFR和RFT，RFR指的是射频接收的部分，RFT是指射频传输的部分，他们构成了RF射频芯片。第四个部分是电源管理的部分。一般的不管是CDMA2000还是WCDMA方面，无线终端，那都需要这四种半导体产品，就是MSM，RFR、RFT和电源管理。智能手机：AP和BP如果说功能手机的硬件结构，以BP为主体，添加了一些额外的应用程序和相应的硬件外设。那么智能手机作为功能手机的进一步发展，在BP的基础上，增加了AP，专门用于强化对应用程序的支持。大多数的手智能手机机都含有两个处理器。操作系统、用户界面和应用程序都在ApplicationProcessor(AP)上执行，AP一般采用ARM芯片的CPU。而手机射频通讯控制软件，则运行在另一个分开的CPU上，这个CPU称为 Baseband Processor(BP)。把射频功能放在BP上执行的主要原因是：射频控制函数(信号调制、编码、射频位移等)都是高度时间相关的。最好的办法就是把 这些函数放在一个主CPU上执行，并且这个主CPU是运行实时操作系统的。另外一个使用BP的好处是一旦它被设计和认证为好了的，不管你采用的操作系统和 应用软件怎么变化，它都可以正确的执行功能(它的通讯功能)。另外，操作系统和驱动的bug也不会导致设备发送灾难性的数据到移动网络中。(FCC要求 的)[5]下面是智能手机的硬件图[3]。主处理器运行开放式操作系统，负责整个系统的控制。从处理器为无线modem部分的dbb(数字基带芯片)，主要完成语音信号的a/d转换、d/a转换、数字语音信号的编解码、信道编解码和无线modem部分的时序控制。主从处理器之间通过串口进行通信。而BP部分的CPU，内存，电源管理，无线收发器，功率放大器等等器件，实际就是原来的功能手机主要结构。在智能手机的硬件架构中，无线modem部分只要再加一定的外围电路，如音频芯片、lcd、摄像机控制器、传声器、扬声器、功率放大器、天线等，就是一个完整的普通手机(传统手机)的硬件电路。模拟基带(abb)语音信号引脚和音频编解码器芯片进行通信，构成通话过程中的语音通道。最初，AP部分与BP部分都是分开的，两者之间通过AT命令通信。如下图[4] 显示的是Moto Droid和iPhone 3GS两款手机的主板实物照片。需要注意的是，实物图中看不到CPU芯片，因为在主板中，CPU和RAM是叠加在一起的。这个做法叫Package on Package(PoP)，它的好处主要是节省主板空间。早期的手机，AP与BP的物理联系，通过串口(UART)来实现，不仅需要串口，而且通常还需要通用输入输出控制线(General Purpose Input/Outpu, GPIO)，来协调AP与BP之间的电源管理等等。在手机闲置时，AP和BP部分都处于睡眠状态，以便省电。拨打电话时，AP通过GPIO唤醒BP，然后 通过串口给BP发送AT命令。有来电时，BP也通过GPIO唤醒AP，然后也通过串口发送AT命令，通知AP启动振铃，接换手机界面等等。很显然，用串口(UART)，GPIO，加AT命令的方式，来协调AP与BP的工作，效率不太高。虽然后期手机，用USB或SPI取代了UART，效率有所提高，但是总体上来说，AP与BP的协调，仍然是整个手机工作效率的瓶颈。AP 和BP各自有一块彼此独立的CPU芯片，不仅相互之间的通信效率差，而且购置芯片的成本高，占用手机电路板的面积大，同时还耗电。为了克服这些缺 点，SoC二合一芯片的出现，是大势所趋，困难在于SoC芯片的设计和制造难度较大。例如，在SoC内部，AP和BP分工依然明确，两者之间的通信，通常依靠内存共享(Shared Memory)。但是实现内存共享的技术难度，要比AT命令的方式要复杂得多。对于一些新近的制作商，例如平板、电子书，使用BP 模块。智能手机的例子GPhone Nexus One所使用的Qualcomm的QSD8250，以及G1和G2所使用的Qualcomm的MSM7200芯片，都是AP和BP二合一的SoC芯片。以 MSM7200芯片为例，它的AP部分内置两枚CPU内核，一个是ARM11，另一个是DSP专用内核QDSP5，BP部分也有两个CPU内核，分别是 ARM926和DSP专用内核QDSP4。GPhone Nexus One内置CPU芯片是高通(Qualcomm)的Snapdragon系列QSD 8250芯片。该芯片的内核是ARM Cortex-A8。Qualcomm的MSM6xxx系列是基带芯片，MSM7xxx系 列AP+BP SoC芯片，于2006年左右陆续上市。BP的做法有三种方式，1. 分立器件，这是早期智能手机的BP部分的主要实现方式，例如以Intel PXA系列芯片为CPU的手机。眼下iPhone，PalmPe， Moto Droid也沿袭了分立器件的结构。2. BP模块，这个方式使用简单，但是成本较高。非手机类的移动设备，常用这种设计。3. AP+BP二合一SoC芯片，技术难度最大，但利润率也最高，是目前手机最普遍使用的BP实现方式，例如HTC手机既用TI的SoC芯片，使用的是 Qualcomm的SoC芯片，而Nokia智能手机大部分使用TI的SoC。手机制作流程手机设计开发流程大约可以分成以下6步。第1步，Design House从芯片厂商那里拿到参考设计。芯片厂商提供的参考设计，往往以开发板的形式出现。所谓开发板，也被称为大板，因为尺寸远比手机大得多，有的大板甚至可以媲美报纸的面积。图显示的是Samsung的S3C44BOX芯片开发板。第2步，确定配件元器件。1. 主板设计，或者Gerber文件，或者PCB板。2. 系统软件。3. 需要组装的全部元器件的清单(BOM List)。4. 配套的外壳。第3步，开发调试驱动程序。第4步，产品级主板设计。确定了微处理芯片以及配件元器件以后，Design House着手把大板改成小板，也就是设计产品级主板。产品级主板设计主要是让主板更紧凑，这包括布局和连线，同时加上紧固件以及绝缘和散热材料，使手机更加坚固耐用。第5步，进一步调试软硬件，使之达到产品级。第6步，Design House设计一些参考外壳，然后把从里到外的整套设计演示给制造厂商看。

ARM处理器如何？

随着我们掌上具有强大计算功能的设备的出现，我们听到很多特别需要注意的术语是ARM。这些计算强大的设备的大脑正是基于这一点，在真正讨论它给未来的计算设备带来的好处之前，让我们来看看它究竟是什么，以及它如何与目前使用的其他替代形式的计算处理器不同。ARM，以前称为高级 RISC 机器，是用于计算机处理器的 RISC（减少指令集计算）体系结构系列，可配置在各种环境中。Arm Holdings 开发该架构并将其许可给其他公司，如 Apple、Qualcomm 等，这些公司设计自己的产品，实现这些架构之一 ， 包括芯片上的系统 （SoC） 和包含内存、接口、收音机等的模块系统上系统 （SoM）。它还设计了实现此指令集的核心，并将这些设计授权给将这些核心设计整合到自己产品的许多公司。然后，这些产品与其他组件一起整合到设备中，形成我们作为消费者购买的最终用户设备。具有 RISC 架构的 ARM 处理器通常比具有复杂指令集计算 （CISC） 架构的处理器（如英特尔、AMD 等制造商的 x86 处理器）的晶体管需要更少的晶体管，从而提高了成本、功耗和散热能力。这些特性对于轻便、便携式、电池供电的设备（包括智能手机和平板电脑以及其他嵌入式系统）是可取的。即使对于耗电量大的超级计算机，ARM 也可以是一个可行的节能解决方案。RISC 和 CISC 在当今世界的计算设备中应用广泛。需要更深入地研究它们，以便真正了解其中哪一个更适合我们的计算需求。一般来说，RISC 被许多人视为比 CISC 的改进。这是因为 CISC 是原始的 ISA（指令集体系结构），其中，RISC 是 20 世纪 80 年代初出现的重新设计的 ISA。没有最好的体系结构，因为不同的体系结构在某些情况下可能更好，但在某些情况下则不太理想。基于 RISC 的计算机每个时钟周期执行一个指令。CISC 机器可以具有特殊说明以及需要多个周期才能执行的说明。这意味着在 CISC 体系结构上执行的相同指令可能需要多个指令才能在 RISC 计算机上执行。RISC 体系结构需要更多的工作 （RAM） 内存来保存值，因为它加载每个指令，对它执行操作，然后加载下一个指令。CISC 体系结构可以直接在内存上执行一个（尽管更复杂的指令）执行相同的操作。因此，RISC 体系结构需要更多的 RAM，但每个时钟周期始终执行一个指令，以进行可预测的处理，这对于管道处理是好事。RISC 和 CISC 之间的主要区别之一是 RISC 强调每个指令的周期效率，CISC 强调每个程序指令的效率。快速处理器取决于执行每个时钟周期所用的时间、执行指令的周期数以及每个程序中的指令数。RISC 强调较大的程序代码大小（由于指令集较小，因此连续执行多个步骤可能等同于 CISC 中的一个步骤）。这可以更好地可视化与以下性能方程，通常用于表达计算机的性能能力：CISC 方法尝试最小化每个程序的指令数，牺牲每个指令的周期数。RISC 会执行相反的做法，以每个程序的指令数成本来减少每个指令的周期。RISC ISA 强调软件而不是硬件。RISC 指令集需要用更少的指令编写更高效的软件（例如编译器或代码）。CISC ISA 在硬件中使用更多的晶体管来实现更多的指令和更复杂的指令。RISC 需要更多的 RAM，而 CISC 强调代码大小更小，并且使用比 RISC 的 RAM 整体使用更少。然而，如今许多微处理器都包含 RISC 和 CISC 类属性的组合，例如一种像 CISC 一样使用 ISA 的 ISA，它将指令视为一串 RISC 类型的指令ARM 及其实施的优势简而言之，基于 RISC 的 ARM 架构不需要携带 CISC 处理器包含的大量行李来执行其复杂的指令。尽管像英特尔这样的公司已经投入巨资设计处理器，它们包括了先进的超高指令管道，但所有这些逻辑意味着芯片上的晶体管更多，更多的晶体管意味着更多的能源使用。高端英特尔芯片的性能非常出色，但高端处理器的最大 TDP（热设计功率）为 130 瓦。基于 ARM 的最高性能移动芯片消耗不到 4 瓦，通常更少。这种低功耗是 ARM 如此特殊的原因，它不会尝试创建 130W 处理器，甚至 60W 或 20W。该公司只对设计低功耗处理器感兴趣。多年来，ARM 通过改进微架构设计提高了处理器的性能，但目标功率预算基本保持不变。一般来说，您可以分解 ARM SoC 的 TDP（芯片上的系统，包括 CPU、GPU 和 MMU 等），如下所示：多核 CPU 群集的最大预算为 2 瓦，GPU 为 2 瓦，MMU 和 SoC 的其余部分可能为 0.5 瓦。如果 CPU 是多核设计，则每个内核可能使用 600 到 750 毫瓦。这些都是非常通用的数字，因为 ARM 生产的每个设计都有不同的特征。ARM 的第一个 Cortex-A 处理器是 Cortex-A8。它只在单核配置中工作，但它仍然是一个流行的设计，可以在一些设备中找到。接下来是 Cortex-A9 处理器，它带来了速度改进和双核与四核配置的能力。然后是 Cortex-A5 内核，它实际上比 Cortex-A8 和 A9 慢（每个内核），但功耗更低，制造成本更低。它专为低端多核应用（如入门级智能手机）而设计。在性能规模的另一端，Cortex-A15 处理器，它是 ARM 最快的 32 位设计。它的速度几乎是 Cortex-A9 处理器的两倍，但所有额外的性能也意味着它使用多一点功率。在实现 2Ghz 的时钟速率和超越许多 ARM 合作伙伴的竞赛中，Cortex-A15 核心设计被推到了极限。因此，Cortex-A15 处理器确实有点作为电池杀手的名声。但是，这或许有点不公平。然而，为了补偿 Cortex-A15 处理器的更高功率预算，ARM 发布了 Cortex-A7 内核。Cortex-A7 处理器比 Cortex-A9 处理器慢，但比 Cortex-A5 处理器快。然而，它的权力预算类似于它的低端兄弟。制作-A7核心时，结合-A15核心在找一个平衡点。LITTLE 配置允许 SoC 在执行简单任务时使用低功耗 Cortex-A7 内核，并在需要重担时切换到 Cortex-A15 内核。结果是设计节省电池，但可以提供最佳的性能。ARM 还拥有 64 位处理器设计。Cortex-A53 是 ARM 的节能 64 位设计。它不会有破纪录的性能，但它是ARM有史以来效率最大的应用程序处理器。它也是世界上最小的64位处理器。它更大的兄弟，Cortex-A57，是一个不同的野兽。它是 ARM 最先进的设计，具有 ARM 所有 Cortex 处理器中最高的单线程性能。ARM 的合作伙伴可能会发布基于 A53（只有 A57）的芯片，并将两者大为使用。ARM 管理 从 32 位到 64 位迁移的一个方法是处理器具有不同的模式、32 位模式和 64 位模式。处理器可以在这两种模式之间快速切换，必要时运行 32 位代码，必要时运行 64 位代码。这意味着解码并开始执行 64 位代码的芯片与 32 位芯片是分开的（尽管有重用用以节省面积）。这意味着 64 位逻辑是隔离的、干净的和相对简单的。64 位逻辑不需要尝试和理解 32 位代码，并找出什么是最好的方法。这将需要一个更复杂的指令解码器。这些领域的复杂性通常意味着需要更多的能源。ARM 64 位处理器的一个非常重要的方面是，它们没有比 32 位处理器使用更多的电源。ARM 已经成功地从 32 位到 64 位，但还停留在其自行实施的能源预算内。在某些情况下，新系列的 64 位处理器实际上将比上一代 32 位 ARM 处理器更节能。这主要是由于内部数据宽度（从 32 位到 64 位）的增加，以及 ARMv8 体系结构中增加了额外的内部寄存器。64 位内核可以更快地执行某些任务，这意味着它可以更快地断电，从而节省电池寿命。最强大的使用模型大。LITTLE 架构是异构多处理 （HMP），它同时支持使用所有物理内核。在这种情况下，具有高优先级或计算强度的线程可以分配给"大"内核，而优先级较低或计算强度较低的线程（如后台任务）则可由"LITTLE"内核执行。此模型已实现在三星Exynos开始与Exynos 5 Octa系列和苹果移动应用程序处理器开始与苹果A11。这也是软件的作用。大。LITTLE 处理技术依赖于操作系统的了解，即它是异构处理器。这意味着操作系统需要了解某些内核比其他内核慢。到现在，处理器设计通常情况并非如此。如果操作系统想要执行一项任务，它只会把它耕种到任何核心，因为它们都具有相同的性能级别。这和那个大并不大。LITTLE 使用特定的内核调度程序，它了解大的异构性质。小处理器配置，将决定每个进程/线程的执行。将来，此调度程序可以进一步优化，以考虑内核的当前运行温度或工作电压等。传统计算中的 ARM尽管ARM在移动设备中具有压倒性优势，但大多数笔记本电脑和计算机，即对于我们工作流程至关重要的设备，使用基于CISC的处理器。但最近，我们看到这种趋势正在发生变化，而基于ARM的个人电脑处理器也因此而大量涌入。2017 年底，高通和微软宣布了第一款基于 ARM 的处理器的 Windows 10 设备。惠普、和联想都推出了笔记本电脑，其中有高通的Snapdragon 835处理器。ARM 上的 Windows 10 是微软之前尝试将移动处理器与完全笔记本电脑体验结婚的重启。与迄今为止存在的基于 x86 Intel 的计算机相比，它有望提供更好的电源效率、可靠的性能和始终保持的连接。对于这些 ARM 设备，高通拥有长达 25 小时的电池续航时间，以及与英特尔计算机平起平坐的即时电源和性能。它还说，内置的LTE连接将提供显著更快的速度比其他可用的LTE设备Windows 10计算机。此外，微软在过去几年中不断改进了对 ARM 芯片的 Windows 支持，其即将推出的与架构无关的精简版操作系统更证明了该公司对市场上拥有更多 ARM 支持的笔记本电脑是认真的。最近，据报道苹果准备明年推出基于ARM的Macbook。彭博社报道说，苹果计划到2021年将iOS和macOS应用程序结合起来。有传言说苹果会将其MacBook笔记本电脑改用自己的ARM处理器。但是，以前，ARM 芯片没有运行更成熟的桌面应用程序所需的性能。彭博社的这份报告重申，在ARM上运行的Mac可能在2020年到达。Axios的报告似乎证实了这一说法。然而，除了这些报告，随着iPad Pro在2015年发布，苹果显示，其ARM芯片现在可以处理"PC级"应用程序。自 2015 年以来，与英特尔的 CPU 代相比，Apple 的芯片变得越来越强大，每代芯片的性能都大得多。苹果传统上更喜欢对它设备的核心组件拥有更多的控制权，如果能够负担得起的话，所以苹果最终希望MacBook由为iOS设备供电的相同（或升级的）芯片提供动力，这是有道理的。谜题的最后一部分是将 x86 macOS 程序过渡到 ARM 指令集体系结构。自去年以来，我们听说苹果正在实施一个名为"Marzipan"的项目，该项目将允许开发人员一次编写他们的应用程序代码，并在 iOS 设备和 macOS 计算机上工作。几天前，苹果在其年度开发者大会上宣布发布第一版必要的软件套件。首先，苹果将允许开发者只将iPad应用移植到Mac上，因为iPad应用在功能和用户体验上都更接近macOS应用。最初，开发人员仍必须提交两个不同版本的应用，这些应用已针对每个平台优化了用户界面，但基础代码将保持不变。2020年，苹果的Marzipan软件套件也有望允许开发者将他们的iPhone应用程序移植到Mac上。Apple 的工程师发现，将专为小型屏幕设计的应用程序移植到桌面是具有挑战性的，因此，进行这种过渡需要更长的时间。到 2021 年，第三方应用开发人员将能够创建跨 iOS 设备和 macOS 计算机工作的"单二进制文件"。据推测，它们在每个外形上仍有不同的用户界面，但它们要么更流畅地适应屏幕大小，要么开发人员必须在每个二进制文件中包含不同的用户界面。ARM 及其合作伙伴也为服务器市场做出了重大公告，他们打算针对更强大的 Neoverse N1 和该芯片的其他变体。最大的公共云服务提供商亚马逊甚至已经开始设计自己的ARM CPU，它也可能很快就会升级到基于N1的处理器。就连谷歌（Google）也从未在Chrome操作系统中缺乏ARM支持，尽管操作系统从第一天起就与架构无关，但谷歌似乎也在努力将Snapdragon平台引入一些Chromebook，而这反过来又应该能够更好地实现Chromebook上原生Android应用的功能和可用性。但是，最初只有 Snapdragon 845 得到支持，因为该公司希望将更便宜的 Chromebook 推向市场。另一个问题似乎是，高通宁愿把Snapdragon 8cx放在售价500美元或更高的Chromebook中，因为这意味着OEM公司能够为8cx支付更高的价格。这将导致市场上有高端 的Chromebook 。总之，随着 ARM 架构的进步和半导体行业改进的 7nm 光刻工艺，以及投资于基于 ARM 的设备开发的主要制造商，我们可以期待一系列令人振奋的新产品进入市场。有了这个预期的发展道路，作为消费者，我们只能希望未来的计算设备能为我们提供卓越的性能和高效率，并让我们把时间投入我们最擅长的：创造力和创新。

简述arm处理器家族的主要系列各有哪些特点，及其与arm体系结构各个版本的关系

各ARM体系结构版本
ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。
为了清楚地表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了6种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1～V6表示


ARM版本Ⅰ： V1版架构
该版架构只在原型机ARM1出现过，只有26位的寻址空间，没有用于商业产品。
其基本性能有:
基本的数据处理指令（无乘法）；
基于字节、半字和字的Load/Store指令;
转移指令，包括子程序调用及链接指令；
供操作系统使用的软件中断指令SWI；
寻址空间：64MB（226）。





ARM版本Ⅱ： V2版架构
该版架构对V1版进行了扩展，例如ARM2和ARM3（V2a）架构。包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持。
版本2a是版本2的变种，ARM3芯片采用了版本2a，是第一片采用片上Cache的ARM处理器。同样为26位寻址空间，现在已经废弃不再使用。
V2版架构与版本V1相比，增加了以下功能：
乘法和乘加指令；
支持协处理器操作指令；
快速中断模式；
SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令;
寻址空间：64MB。





ARM版本Ⅲ ： V3版架构
ARM作为独立的公司，在1990年设计的第一个微处理器采用的是版本3的ARM6。它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU。
变种版本有3G和3M。版本3G是不与版本2a向前兼容的版本3，版本3M引入了有符号和无符号数乘法和乘加指令，这些指令产生全部64位结果。
V3版架构（ 目前已废弃 ）对ARM体系结构作了较大的改动：


寻址空间增至32位（4GB）；
当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄存器CPSR中（Current Program Status Register）;
增加了程序状态保存寄存器SPSR（Saved Program Status Register）；
增加了两种异常模式，使操作系统代码可方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常。；
增加了MRS/MSR指令，以访问新增的CPSR/SPSR寄存器；
增加了从异常处理返回的指令功能。





ARM版本Ⅳ ： V4版架构
V4版架构在V3版上作了进一步扩充，V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构，ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。
V4不再强制要求与26位地址空间兼容，而且还明确了哪些指令会引起未定义指令异常。
指令集中增加了以下功能：
符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令；
增加了T变种，处理器可工作在Thumb状态，增加了16位Thumb指令集；
完善了软件中断SWI指令的功能；
处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作;
把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令





ARM版本Ⅴ ： V5版架构
V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令，ARM10和Xscale都采用该版架构。
这些新增命令有：
带有链接和交换的转移BLX指令；
计数前导零CLZ指令；
BRK中断指令；
增加了数字信号处理指令（V5TE版）； 为协处理器增加更多可选择的指令；
改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率；
E---增强型DSP指令集，包括全部算法操作和16位乘法操作；
J----支持新的JAVA，提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。





ARM版本Ⅵ ： V6版架构
V6版架构是2001年发布的，首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。在降低耗电量地同时，还强化了图形处理性能。通过追加有效进行多媒体处理的SIMD(Single Instruction, Multiple Data，单指令多数据 )功能，将语音及图像的处理功能提高到了原型机的4倍。
此架构在V5版基础上增加了以下功能：
THUMBTM：35%代码压缩；
DSP扩充：高性能定点DSP功能；
JazelleTM：Java性能优化，可提高8倍；
Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍

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