atmel公司新近開發(fā)了一款名為avr32的高性能32位risc處理器內(nèi)核，該內(nèi)核從設(shè)計(jì)初始就選用了一種指令架構(gòu)來(lái)增加每周期的計(jì)算吞吐量。

atmel公司設(shè)計(jì)avr32的目的，就是提供一種處理器，能夠以極低功耗(便攜式消費(fèi)類多媒體設(shè)備的必要條件)有效完成日益增加的信號(hào)處理任務(wù)。此外，該內(nèi)核還能夠執(zhí)行mpu和dsp雙重功能，而僅需單一的設(shè)計(jì)流程和一套開發(fā)工具。

avr32由atmel公司在挪威的一個(gè)20人工程團(tuán)隊(duì)所開發(fā)。該團(tuán)隊(duì)聲稱，在執(zhí)行‘差分絕對(duì)值之和(sad)’和‘反離散余弦變換(idct)’等目標(biāo)算法時(shí)，avr32每個(gè)指令周期的計(jì)算吞吐量較arm11內(nèi)核提高了35%。這相當(dāng)于在100mhz的時(shí)鐘頻率下，具備以30幀/秒的速度對(duì)qvga mpeg-4視頻解碼的能力，如果用arm11實(shí)現(xiàn)的話則需要150到175 mhz的時(shí)鐘頻率。

根據(jù)atmel的說(shuō)法，avr32架構(gòu)代表了一個(gè)“眾多優(yōu)秀設(shè)計(jì)理念的集合”。這個(gè)集合包括一個(gè)獨(dú)特的帶有硬件分支預(yù)測(cè)的管線架構(gòu)、專用dsp硬件(位于微處理器管線內(nèi)部)以及單指令多數(shù)據(jù)(simd)擴(kuò)展。

“人們通常通過(guò)提高時(shí)鐘頻率并加入更多的門電路來(lái)提高微處理器的性能，但是這樣的競(jìng)賽已經(jīng)結(jié)束?！盿tmel挪威公司avr業(yè)務(wù)部的執(zhí)行總監(jiān)alf-egil bogen說(shuō)。反之，競(jìng)爭(zhēng)的新重點(diǎn)是在提高單時(shí)鐘周期吞吐量的同時(shí)，如何使所消耗的功率達(dá)到超低。

“我們采取了一種非常學(xué)術(shù)的做法，通過(guò)關(guān)注微處理器架構(gòu)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，來(lái)達(dá)到更高的吞吐量和優(yōu)化的代碼密度?！盿tmel挪威公司的芯片設(shè)計(jì)師o(wú)yvind strom介紹。

然而，對(duì)atmel公司而言，現(xiàn)在進(jìn)入32位risc處理器市場(chǎng)可能有些為時(shí)過(guò)晚，因?yàn)樵撌袌?chǎng)已經(jīng)被arm 和美普思科技(mips technologies)等公司所主導(dǎo)。事實(shí)上，這些公司的許多處理器產(chǎn)品，也同avr32一樣，正在向“以dsp為導(dǎo)向的特性”轉(zhuǎn)移，berkeley設(shè)計(jì)技術(shù)公司的總裁jeff bier指出。

但是atmel的工程師卻沒(méi)有為此感到憂慮，他們提到了avr8的成功，它也是挪威團(tuán)隊(duì)開發(fā)的成果。avr8在1990年末期進(jìn)入市場(chǎng)，迄今為止仍是市場(chǎng)中增長(zhǎng)幅度最快的8位mcu之一?！拔覀兿Ｍ柚鷄vr32稍稍撼動(dòng)一下這個(gè)行業(yè)?！眀ogen說(shuō)。

那么，avr32與其它的risc處理器相比有何不同呢？

“從高級(jí)層面來(lái)說(shuō)，avr32架構(gòu)與arm11和mips24kec架構(gòu)極為類似?！眀erkeley設(shè)計(jì)公司的bier評(píng)論道，“avr32使用的大部分技術(shù)，似乎都可以從面向信號(hào)和多媒體處理應(yīng)用的微處理器中找到?！?/p>

32位內(nèi)核avr32擁有多條管線

avr32架構(gòu)的重要特性包括一個(gè)單獨(dú)的負(fù)載/存儲(chǔ)管線、帶有分支消除(branch folding)的分支預(yù)測(cè)、simd技術(shù)(例如借助單指令完成兩個(gè)16位操作的能力)、一個(gè)16/32位指令集(自由混合，無(wú)需模式改變)，以及執(zhí)行sad算法的能力(加速視頻壓縮)。

“上述特性沒(méi)有一個(gè)是avr32所獨(dú)有的。”bier指出，“但是進(jìn)一步觀察avr32架構(gòu)的細(xì)節(jié)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，其中諸多單元與arm11和mips24kec有著天壤之別，這些不同為avr32帶來(lái)了一些優(yōu)勢(shì)?！?

例如，因?yàn)槠涔芫€的工作方式，arm11和mips24kec存在與某些重要指令相關(guān)的多周期延遲?！斑@為編譯者或匯編程序師獲得最高性能帶來(lái)了挑戰(zhàn)?！眀ier說(shuō)，“但是這個(gè)問(wèn)題的難度對(duì)avr32來(lái)說(shuō)小得多?！?br> 　　
更具體地來(lái)說(shuō)，atmel在其avr32多管線架構(gòu)中支持“無(wú)序”執(zhí)行，strom說(shuō)。
　
通常，一條復(fù)雜的指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期，而且管線在該指令完成之后就處于停頓狀態(tài)。但是avr32擁有三條管線，即負(fù)載/存儲(chǔ)、乘法和算術(shù)邏輯單元，它們依據(jù)無(wú)序的不相關(guān)數(shù)據(jù)執(zhí)行算術(shù)操作。例如，avr32不是在除法完成之后才中止代碼，而是讓指令由可用的資源來(lái)執(zhí)行。

“avr32另一個(gè)意義重大的地方在于可以自由混合16位和32位指令。”bier指出。這點(diǎn)之所以重要是因?yàn)椴⒎撬械臇|西都以32位數(shù)據(jù)格式出現(xiàn)。如果沒(méi)有這種混合能力，從一個(gè)字中挑選合適的字節(jié)就會(huì)困難得多。
“在其它一些內(nèi)核，如arm1136中，你不得不執(zhí)行一條模式變化指令才能實(shí)現(xiàn)16和32位指令集之間的切換?！眀ier說(shuō)，“這個(gè)差別意味著avr32可以獲得更緊湊的代碼密度?！?

確實(shí)，優(yōu)化的代碼密度十分重要。如果需要執(zhí)行的程序能夠減少，那么需要的時(shí)鐘周期也會(huì)減少。此外，高代碼密度意味著該代碼在高速緩存器中占據(jù)較少的空間，這樣高速緩存器中就可以存儲(chǔ)更多的指令。“這樣不僅可以減少高速緩存器丟失數(shù)據(jù)的可能，還有利于降低成本。”atmel公司的bogen補(bǔ)充道，“因?yàn)楸匦璧某绦虼鎯?chǔ)器減小了?！?

forward concepts公司的總裁will strauss認(rèn)為avr32的表現(xiàn)很不賴，他引用了avr32在eembc基準(zhǔn)下的性能評(píng)估結(jié)果來(lái)證明其言論。評(píng)估結(jié)果顯示，在需要mpu和dsp雙重功能的應(yīng)用中，avr32擊敗了arm9和arm11家族。不僅如此，該款器件在代碼密度方面的得分也優(yōu)于arm1020。

那么將avr32與ti的omap解決方案相比結(jié)果又如何呢？strauss指出，ti的omap平臺(tái)是一個(gè)包含多處理器的芯片(arm內(nèi)核＋ti dsp)，而avr32則從一開始就針對(duì)mpu和dsp設(shè)計(jì)，而且只需單獨(dú)一套開發(fā)工具?！?

但是沒(méi)有人真正希望atmel的avr32打入手機(jī)世界?！癮vr32不可能在手機(jī)領(lǐng)域獲得設(shè)計(jì)勝出，該領(lǐng)域完全由基于arm的芯片所主導(dǎo)?！眀ier表示，“avr32可能對(duì)pmp以及其它低成本消費(fèi)電子更具吸引力。

面向運(yùn)算增強(qiáng)型應(yīng)用的mpu內(nèi)核

“但是，如果對(duì)ti、adi以及飛思卡爾正在銷售的多媒體應(yīng)用芯片進(jìn)行觀察，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們是帶有大量現(xiàn)成軟件和其它開發(fā)基礎(chǔ)架構(gòu)的復(fù)雜soc?！彼f(shuō)，“如果atmel想為avr32尋找出路的話，它必須采取相應(yīng)的措施?！?

atmel計(jì)劃在avr32內(nèi)核基礎(chǔ)上推出幾個(gè)處理器系列。首先會(huì)是針對(duì)消費(fèi)類多媒體應(yīng)用的soc解決方案，預(yù)定產(chǎn)品在這個(gè)月就將面世。

雖然avr32內(nèi)核在atmel晶圓廠制造的asic中得以使用，但是atmel表示它不會(huì)對(duì)其它的生產(chǎn)商發(fā)布授權(quán)。目前第三方可以通過(guò)定制芯片的形式獲得內(nèi)核，但是atmel將堅(jiān)持自己生產(chǎn)該器件。

據(jù)該公司透露，完整芯片(而不是一個(gè)處理器核)的預(yù)期售價(jià)將在10到17美元之間。

在工具方面，atmel認(rèn)為它已經(jīng)盡全力去優(yōu)化其開發(fā)工具，并盡可能地使現(xiàn)有avr8 mcu的用戶平滑過(guò)渡。公司位于挪威的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)同瑞典一家知名的工具公司iar進(jìn)行了多年合作。iar的編譯器有助于atmel測(cè)試avr32的架構(gòu)并優(yōu)化其指令集。iar還對(duì)其編譯器進(jìn)行了改進(jìn)，以便更好地適用于該架構(gòu)。

此外，avr8現(xiàn)有的65,000名客戶可以繼續(xù)將他們熟悉的工具(如電路仿真工具jtagice mkii)用于avr32。
avr32內(nèi)核支持linux操作系統(tǒng)。對(duì)其它實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持將在客戶要求授權(quán)的時(shí)候再進(jìn)行添加，bogen表示。