StrongARM - StrongARM

Mikroprocesor DEC StrongARM SA-110

StrongARM je rodina počítačových mikroprocesorů vyvinutých Digital Equipment Corporation a vyroben v pozdní 1990, které implementovaly ARM v4 architekturu instrukční sady . Později byl v roce 1997 prodán společnosti Intel , která pokračovala ve výrobě, než jej na počátku roku 2000 nahradila XScale .

Dějiny

Podle Allena Bauma StrongARM sleduje jeho historii k pokusům vytvořit verzi DEC Alpha s nízkým výkonem , o čemž inženýři DEC rychle usoudili, že to není možné. Poté se začali zajímat o návrhy věnované aplikacím s nízkým výkonem, které je přivedly do rodiny ARM. V té době byl jedním z hlavních uživatelů ARM pro produkty související s výkonem Apple , jehož zařízení Newton bylo založeno na platformě ARM. Společnost DEC oslovila Apple s dotazem, zda by je mohla zajímat vysoce výkonná ARM, na což inženýři společnosti Apple odpověděli „Phhht, jo. To nemůžete, ale pokud ano, použijeme to.“

StrongARM byl společný projekt mezi DEC a Advanced RISC Machines s cílem vytvořit rychlejší mikroprocesor ARM. StrongARM byl navržen tak, aby se zaměřil na horní konec trhu s nízkou spotřebou energie, kde uživatelé potřebovali větší výkon, než jaký by ARM mohl poskytnout, a zároveň mohli přijmout více externí podpory. Cíle byla zařízení, jako jsou novější osobní digitální asistenti a set-top boxy .

Polovodičová divize společnosti DEC se tradičně nacházela v Massachusetts . Aby získal přístup k talentu designu v Silicon Valley , otevřel DEC designové centrum v Palo Alto v Kalifornii . Toto designové centrum vedl Dan Dobberpuhl a bylo hlavním designovým místem projektu StrongARM. Další designová stránka, která na projektu pracovala, byla v texaském Austinu, kterou vytvořili někteří bývalí návrháři DEC vracející se ze společností Apple Computer a Motorola . Projekt byl založen v roce 1995 a rychle dodal svůj první návrh, SA-110 .

DEC souhlasil s prodejem StrongARM společnosti Intel v rámci urovnání sporu v roce 1997. Intel použil StrongARM k nahrazení jejich nemocné řady procesorů RISC, i860 a i960 .

Když byla polovodičová divize DEC prodána společnosti Intel, mnoho inženýrů z designérské skupiny Palo Alto přešlo na SiByte , začínající společnost, která navrhuje produkty MIPS systém na čipu (SoC) pro síťový trh. Konstrukční skupina Austin se rozrostla a stala se Alchemy Semiconductor , další začínající společností, která navrhuje MIPS SoC pro ruční trh. Nové jádro StrongARM bylo vyvinuto společností Intel a představeno v roce 2000 jako XScale .

SA-110

SA-110 byl prvním mikroprocesorem v rodině StrongARM. První verze, pracující na frekvencích 100, 160 a 200 MHz, byly oznámeny 5. února 1996. Když byly oznámeny, byly k dispozici vzorky těchto verzí s objemovou produkcí plánovanou na polovinu roku 1996. Rychlejší verze 166 a 233 MHz byly oznámeny 12. září 1996. Ukázky těchto verzí byly k dispozici při oznámení, objemová produkce byla naplánována na prosinec 1996. V průběhu roku 1996 byl SA-110 nejvýkonnějším mikroprocesorem pro přenosná zařízení. Ke konci roku 1996 to byl přední procesor pro internetová/intranetová zařízení a systémy tenkých klientů . První designovou výhrou modelu SA-110 byl Apple MessagePad 2000 . To bylo také použito v řadě produktů včetně Acorn Computers Risc PC a systému pro úpravu videa Eidos Optima . Hlavními designéry SA-110 byli Daniel W. Dobberpuhl , Gregory W. Hoeppner, Liam Madden a Richard T. Witek.

Popis

SA-110 měl jednoduchou mikroarchitekturu . Byl to skalární design, který prováděl pokyny v pořadí s pětistupňovým klasickým potrubím RISC . Mikroprocesor byl rozdělen do několika bloků, IBOX, EBOX, IMMU, DMMU, BIU, WB a PLL. IBOX obsahoval hardware, který fungoval v prvních dvou fázích potrubí, například programový čítač . Přineslo, dekódovalo a vydalo pokyny. Načtení instrukcí nastává během první fáze, dekódování a vydání během druhé fáze. IBOX dekóduje složitější instrukce v instrukční sadě ARM jejich překladem do sekvencí jednodušších instrukcí. IBOX také zpracovával pokyny pro pobočky. SA-110 neměl hardware pro předpovídání větví , ale měl mechanismy pro jejich rychlé zpracování.

Poprava začíná ve třetí fázi. Hardware, který v této fázi pracuje, je obsažen v EBOXu, který obsahuje soubor registru , aritmetickou logickou jednotku (ALU), řadič barelů , multiplikátor a logiku kódů podmínek. Soubor registru měl tři porty pro čtení a dva porty pro zápis. Přepínač ALU a sud provedl pokyny v jediném cyklu. Multiplikátor není pipeline a má latenci více cyklů.

IMMU a DMMU jsou jednotky správy paměti pro pokyny a data. Každá MMU obsahovala 32záznamovou plně asociativní překladovou vyhledávací vyrovnávací paměť (TLB), která dokáže mapovat 4 kB, 64 kB nebo 1 MB stránky . Vyrovnávací paměť pro zápis (WB) má osm 16bajtových položek. Umožňuje propojení obchodů. Jednotka rozhraní sběrnice (BIU) vybavila SA-110 externím rozhraním.

PLL generuje vnitřní hodinový signál z externího hodinového signálu 3,68 MHz. Nebyl navržen DEC, ale byl smluvně uzavřen s Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM) se sídlem v Neuchâtel ve Švýcarsku .

Mezipaměť instrukcí a mezipaměť dat mají kapacitu 16 kB a jsou 32-cestné asociativní a virtuálně adresované. SA-110 byl navržen pro použití s ​​pomalou (a tedy levnou) pamětí, a proto vysoká nastavená asociativita umožňuje vyšší míru zásahu než u konkurenčních návrhů a použití virtuálních adres umožňuje současně ukládat do mezipaměti a bez mezipaměti paměť. Mezipaměti jsou zodpovědné za většinu počtu tranzistorů a zabírají polovinu oblasti matrice.

SA-110 obsahoval 2,5 milionu tranzistorů a je 7,8 mm x 6,4 mm velký (49,92 mm 2 ). Byla vyrobena DEC v patentované CMOS-6 procesu na jeho Fab 6 FAB Hudson, Massachusetts. CMOS-6 byl šestou generací komplementárního procesu DEC šesté generace kov-oxid-polovodič (CMOS). CMOS-6 má velikost funkce 0,35 µm, efektivní délku kanálu 0,25 µm, ale pro použití s ​​SA-110 pouze tři úrovně hliníkového propojení . Používal napájecí zdroj s proměnným napětím 1,2 až 2,2 voltů (V), aby umožnil návrhům najít rovnováhu mezi spotřebou energie a výkonem (vyšší napětí umožňuje vyšší taktovací frekvence). SA-110 byl zabalen do 144kolíkového tenkého čtvercového plochého balení (TQFP).

SA-1100

SA-1100 byl derivát SA-110 vyvinutý DEC. Zařízení SA-1100, oznámené v roce 1997, bylo určeno pro přenosné aplikace, jako jsou PDA, a liší se od modelu SA-110 poskytováním řady funkcí, které jsou pro takové aplikace žádoucí. Aby tyto funkce vyhovovaly, byla velikost mezipaměti dat zmenšena na 8 kB.

Mezi další funkce patří integrovaná paměť, ovladače PCMCIA a barevné LCD připojené k systémové sběrnici a pět sériových I/O kanálů, které jsou připojeny k periferní sběrnici připojené k systémové sběrnici. Paměťový řadič podporoval paměti FPM a EDO DRAM, SRAM, flash a ROM. Řadič PCMCIA podporuje dva sloty. Paměťová adresa a datová sběrnice jsou sdíleny s rozhraním PCMCIA. Je vyžadována logika lepidla. Sériové I/O kanály implementují podřízené rozhraní USB, SDLC , dva UART , rozhraní IrDA , MCP a synchronní sériový port .

SA-1100 měl doprovodný čip, SA-1101. Byl představen společností Intel dne 7. října 1998. SA-1101 poskytl další periferie doplňující periferie integrované v SA-1100, jako je port pro video výstup, dva porty PS/2 , řadič USB a řadič PCMCIA, který nahrazuje SA-1100. Design zařízení začal DEC, ale byl dokončen pouze částečně, když jej získal Intel, který musel dokončit návrh. Byl vyroben v bývalém výrobním závodě DEC v Hudsonu v Massachusetts , který byl také prodán společnosti Intel.

SA-1100 obsahoval 2,5 milionu tranzistorů a měřil 8,24 mm x 9,12 mm (75,15 mm 2 ). Byl vyroben v 0,35 μm CMOS procesu se třemi úrovněmi hliníkového propojení a byl zabalen do 208kolíkového TQFP.

Jedním z prvních příjemců tohoto procesoru byl nešťastný Psion netBook a jeho sourozenec Psion Series 7 více zaměřený na spotřebitele .

SA-1110

SA-1110 byl derivát SA-110 vyvinutý společností Intel. To bylo oznámeno dne 31. března 1999, umístěný jako alternativa k SA-1100. Při oznámení byly vzorky stanoveny na červen 1999 a objem o rok později. Intel přerušil SA-1110 počátkem roku 2003. SA-1110 byl k dispozici ve verzích 133 nebo 206 MHz. Liší se od SA-1100 tím, že nabízí podporu pro 66 MHz (pouze verze 133 MHz) nebo 103 MHz (pouze verze 206 MHz) SDRAM . Jeho doprovodným čipem, který poskytoval dodatečnou podporu periferním zařízením, byl SA-1111. SA-1110 byl zabalen do 256kolíkové mřížkové matice micro ball . To bylo používáno v mobilních telefonech, osobních údajů asistentů (PDA), jako je Compaq (později HP) iPAQ a HP Jornada , Sharp SL-5x00 Linux Based Platforms a Simputer . Byl také použit ke spuštění Intel Web Tablet, tabletového zařízení, které je považováno za potenciálně první, které zavedlo přenosné procházení webu na velké obrazovce. Intel upustil produkt těsně před uvedením na trh v roce 2001.

SA-1500

SA-1500 byl derivátem SA-110 vyvinutým DEC původně zaměřeným na set-top boxy . Byl navržen a vyroben v malých objemech společností DEC, ale nikdy nebyl uveden do výroby společností Intel. SA-1500 byl k dispozici na 200 až 300 MHz. SA-1500 představoval vylepšené jádro SA-110, koprocesor na čipu zvaný Attached Media Processor (AMP) a řadič sběrnice SDRAM a I/O na čipu. Řadič SDRAM podporoval 100 MHz SDRAM a řadič I/O implementoval 32bitovou I/O sběrnici, která může běžet na frekvencích až 50 MHz pro připojení periferií a doprovodného čipu SA-1501.

AMP implementoval dlouhou instrukční sadu instrukčních slov obsahující instrukce určené pro multimédia, jako je celočíselné a plovoucí desetinnou čárkou násobení – akumulace a SIMD aritmetika. Každé dlouhé instrukční slovo má šířku 64 bitů a určuje aritmetickou operaci a větev nebo zatížení/úložiště. Instrukce fungují na operandech ze 64-vstupního 36bitového souboru registru a na sadě řídicích registrů. AMP komunikuje s jádrem SA-110 prostřednictvím sběrnice na čipu a sdílí mezipaměť dat se SA-110. AMP obsahoval ALU s řadičem, větvící jednotkou, jednotkou načítání/ukládání, jednotkou násobení – akumulace a jednotkou s plovoucí desetinnou čárkou s jednou přesností . AMP podporoval uživatelem definované pokyny prostřednictvím úložiště 512 záznamů s ovládáním pro zápis.

Doprovodný čip SA-1501 poskytoval další možnosti zpracování videa a zvuku a různé funkce I/O, jako jsou porty PS/2, paralelní port a rozhraní pro různá periferní zařízení.

SA-1500 obsahuje 3,3 milionu tranzistorů a měří 60 mm 2 . Byl vyroben v 0,28 µm CMOS procesu. Používal interní napájecí zdroj 1,5 až 2,0 V a 3,3 VI/O, přičemž spotřebovával méně než 0,5 W při 100 MHz a 2,5 W při 300 MHz. Bylo zabaleno do 240kolíkového kovového čtyřúhelníkového plochého balíčku nebo 256-kuličkového plastového mřížkového pole .

Západka StrongARM

StrongARM západka je elektronický západky obvod topologie první navržené Toshiba inženýry Tsuguo Kobayashi a kol. a získal významnou pozornost po použití v mikroprocesorech StrongARM. Je široce používán jako zesilovač smyslu , komparátor nebo jen robustní západka s vysokou citlivostí.

Reference

Další čtení

  • „Drapáky StrongARM-1500 s MPEG-2“. (8. prosince 1997). Zpráva o mikroprocesoru .
  • Halfhill, Tom R. (19. dubna 1999). „Intel Flexing StrongArm s novými čipy“. Zpráva o mikroprocesoru .
  • Litch, Tim; Slaton, Jeff (březen/duben 1998). „Přenosná komunikace StrongARMing“. IEEE Micro . s. 48–55.
  • Santhanam, S. a kol. (Listopad 1998). „Levný, 300 MHz, RISC procesor s připojeným mediálním procesorem“. IEEE Journal of Solid-State Circuits , sv. 33, č. 11. s. 1829–1839.
  • Turley, Jim (13. listopadu 1995). „StrongArm zvyšuje výkon ARM“. Zpráva o mikroprocesoru .
  • Turley, Jim (15. září 1997). „SA-1100 nasazuje PDA na čip“. Zpráva o mikroprocesoru .
  • Witek, Rich; Montanaro, James (1996). „StrongARM: Vysoce výkonný procesor ARM“. Sborník COMPCON '96 , s. 188–191.