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Cortex-A15 处理器

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ARM Cortex™-A15 MPCore™ 处理器是目前适用于高度互联设备的高性能引擎。该处理器实现了前所未有的灵活性和处理能力。与 ARM 传统产品一样,该处理器在设计上采用了先进的能耗降低技术,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码家电服务器无线基础结构

 

 


概述

ARM Cortex™-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,确保在应用方面与所有其他获得高度赞誉的 Cortex-A 处理器完全兼容。这样,就可以立即访问已得到认可的开发平台和软件体系,包括 Android™、Adobe® Flash® Player、Java Platform Standard Edition (Java SE)、JavaFX、Linux、Microsoft Windows Embedded、Symbian 和 Ubuntu 以及 700 多个 ARM Connected Community™ 成员,这些成员提供应用软件、硬件和软件开发工具、中间件以及 SoC 设计服务。  

Cortex-A15 处理器具有无序超标量流水线,带有紧密耦合的低延迟 2 级 cache,该 cache 的大小最高可达 4MB。浮点NEON™ 媒体性能方面的其他改进使设备能够为消费者提供下一代用户体验,并为 Web 基础结构应用提供高性能计算。 

预计 Cortex-A15 MPCore 处理器的移动配置所能提供的性能是当前的高级智能手机的五倍以上。在高级基础结构应用中,Cortex-A15 的运行速度最高可达 2.5GHz,这将支持在不断降低功耗、散热和成本预算方面实现高度可伸缩的解决方案。

Cortex-A15 处理器是基于 ARMv7A 架构的处理器,它能确保在软件方面与其他获得高度赞誉的 Cortex-A 处理器完全兼容。这样,就可以立即使用已得到认可的开发平台和软件体系(包括 Android™、Adobe® Flash® Player、Java Platform Standard Edition (Java SE)、JavaFX、Linux、Microsoft Windows Embedded、Symbian 和 Ubuntu)以及 1000 多个 ARM Connected Community™ 成员,这些成员提供应用软件、硬件和软件开发工具、中间件以及 SoC 设计服务。

为了实现最好的性能,Cortex-A15 处理器具有多指令执行功能,无序超标量流水线,带有紧密耦合低延迟的且受 ECC 保护的 2 级 cache,该 cache 的大小最高可达 4MB。Cortex-A15 处理器现在适用于 1TB 的物理内存,从而能够满足服务器与网络应用的需求。

随着 ARM 在移动领域领先地位的扩展,Cortex-A15 处理器所能提供的性能比当前使用 Cortex-A9 处理器的智能手机高一倍。这是曾经只有笔记本电脑才能达到的性能水平,但如今在移动散热和功耗包络上也达到了此水平。这也表示比使用 Cortex-A8 处理器的智能手机的性能高五倍以上。

ARM 独特的技术“big.LITTLE”将世界一流的领先性能又提升到一个新水平。big.LITTLE 配置与高性能内核配对 - 如带有功耗优化结合核的 Cortex-A15 MPCore 处理器和使用某种 fabric(如 Corelink™ CCI-400)的 Cortex-A7 处理器。该配对能确保合适的处理器内核分配给合适的作业,从而解决了延长电池使用寿命并提高性能这一矛盾挑战。在高级基础结构应用中,Cortex-A15 处理器的运行速度最高可达 2.5GHz,这将支持在不断降低功耗、散热和成本预算方面实现高度可伸缩的解决方案。通过与如 Corelink CCN-504 这样的高级 fabric 技术配对,Cortex-A15 MPCore 处理器是为智能手机及其基础结构提供动力的引擎。从服务器到网络,再到高端数字家庭娱乐系统,Cortex-A15 处理器是一系列解决方案的最佳选择。

应用:

  • 高级智能手机
  • 移动计算
  • 高端数字家庭娱乐
  • 无线基础结构
  • 低功耗服务器

随着以 Web2.0 为中心的设备日益复杂,需要设备支持多种软件特性并能够组合各不相同的功能。为此,Cortex-A15 MPCore 处理器引入了 ARM 的新技术,该技术支持高效处理复杂的软件环境,包括完全硬件虚拟化、大物理地址扩展 (LPAE),最高可实现 1TB 内存,并具有针对容错和软故障恢复的错误纠正功能。

Cortex-A15 MPCore 处理器是首个融合了针对数据管理和仲裁的高效硬件支持的 ARM 处理器,支持多个软件环境及其应用程序同时访问系统功能。这样,就实现了可靠、具有相互隔离的虚拟环境的设备。


优化的性能

ARM 的理念是一种型号不能适用于所有设备。移动性能有两个不同目标:游戏与网上冲浪的响应性/帧速率;以及使不受限体验真正成为现实的最长的电池使用寿命。Cortex-A15 MPCore 处理器的移动配置将包含 Cortex-A7 MPCore 处理器和 CCI-400,并将两者绑定,预计提供的性能是当前高端智能手机的一倍多;是基于 ARM 处理器的基础结构平台的聚集性能的 4 倍多,并具有 ARM 标志性的低功耗特性。

ARM 开发了 big.LITTLE 技术以同时满足这两个目标。通过提出“适当的内核分配给适当的作业”的解决方案,ARM 提供了主要的技术拐点。ARM 的 big.LITTLE 技术将后台和轻松的作业分配给“LITTLE”内核,将主要的大型作业分配给“big”内核。这样做不仅使得相对较大的内核更高效的运行(因为并不总是尝试通过上下文切换来处理轻松的线程),而且顾客还能实现比 Cortex-A15 MPCore 处理器单独运行时还高的高端性能目标,并大大延长电池使用寿命。下面列出了预计的特定于应用的实现方案示例:

智能手机和移动计算

使用范围:

  • big.LITTLE 的特点是双核或四核的 Cortex A7 MPCore 处理器与大约 1.5GHz 的单核或双核 Cortex-A15 MPCore 处理器配对
  • 与 CCI-400 和 Cortex-A7 配对
  • 为了提供完整的解决方案,1 GHz - 1.5 GHz 单核或双核配置与 Mali 图形和 DMC-400 配对

设备特性:

  • 灵活的性能:
    • 即时 Web 浏览、高带宽操作
    • 提高媒体和浮点浮点性能
  • 最佳功耗:
    • 扩大了低功耗范围并延长了电池使用寿命
  • 更丰富的体验:
    • 游戏机品质的游戏、导航、增强现实应用

数字家庭娱乐

使用范围:

  • 与 NIC-401 配对的 1 GHz - 1.5 GHz 双核配置
  • 与 CCI-400 和 Mali-T600 GPU 配对的 1.5 GHz - 2.0 GHz 双核或四核配置
  • 该配置确保了 I/O 一致性

设备特性:

  • 高端性能:  
    • 通用和媒体性能  
    • 密集流  
    • 媒体、图形和计算工作负载
  • 最佳功耗、散热:  
    • 无风扇操作、EnergyStar
  • 更大的物理内存:
    • 系统现在可以支持多于 4GB 的附加内存,从而增强用户体验

家用服务器和 Web 2.0 服务器

使用范围:

  • 与 CCI-400 配对的 1.5GHz - 2.5 GHz 四核到八核的配置

 

设备特性:

  • 高性能:
    • 高端高能效单线程和 MP
  •     高扩展性:  
    • SoC 一致性,确保高性能和高能效
    • 多核能促使家庭服务器高效处理多项作业
  • 虚拟化支持:
    • 支持高效虚拟机和访问 4GB 以上的物理内存

无线基础结构

使用范围:

使用 CCI-400 或 CCN-504 的 1.5GHz - 2.5GHz 四核、八核或更高配置

与使用 CCI-400 的 1.0GHz - 1.5GHz Cortex-A7 MPCore 配对的 1.5GHz - 2.5GHz 四核 Cortex-A15 MPCore

设备特性:

  • 性能:  
    • 高端整数、浮点数性能
  • 可扩展性:  
    • “大集成”> 4 个核。TCO 更低。
  • 大内存设备:  
    • 最高 1TB 内存支持、硬件虚拟化支持可靠性:错误纠正、软故障恢复、监视设备完整性

Cortex-A15 MPCore
架构

ARMv7-A Cortex

  • 15 级流水线的、高度乱序的处理引擎
多核
  • 单处理器群集中的 1-4X SMP
  • 通过 AMBA® 4 ACE 技术实现多个一致的 SMP 处理器群集
  • 与多达两个群集的 CCI-400 兼容
  • 与 CCN-504(以实现多达 4 个群集)和大 3 级 cache(以实现最佳性能)兼容
ISA 支持
  • ARM Thumb-2
  • TrustZone® 安全技术
  • NEON™ 高级 SIMD
  • DSP & SIMD 扩展
  • VFPv4 浮点  
  • 硬件虚拟化支持
  • 大物理地址扩展 (LPAE)
  • 整数除法 *NEW*
  • 融合的 MAC *NEW*
  • 虚拟机监控程序调试指令 *NEW*
内存管理

ARMv7 内存管理单元

  • 支持大物理内存与虚拟化
  • 无缝处理内存管理以便于现代操作系统在管理不冲突的情况下分配资源
调试和 trace CoreSight™ SoC

Cortex-A15 MPCore 主要功能
Thumb-2 技术 可为传统 ARM 代码提供最高性能,对于存储指令占用的内存,最多可节省 30% 的空间
TrustZone 技术 确保安全应用的可靠实现,适合从数字版权管理到电子支付等应用,获得技术和行业合作伙伴的广泛支持
NEON NEON 技术可加速多媒体和信号处理算法(如视频编码/解码、二维/三维图形、游戏、音频和语音处理、图像处理、电话和声音综合)
DSP 和 SIMD 扩展 增加高性能应用中 ARM 解决方案的 DSP 处理能力,同时通过便携式、电池电源设备提供所需的低功耗。DSP 扩展经过优化,适用于范围广泛的软件应用,包括伺服马达控制、Voice over IP (VoIP) 和视频音频编解码器。
浮点 对浮点的半精度、单精度和双精度浮点运算操作提供硬件支持。Cortex-A15 处理器的浮点功能增强了下一代消费类产品(如 Internet 设备、机顶盒和家用网关)中使用的浮点算法的性能。
硬件虚拟化 Cortex-A15 MPCore 处理器是首个融合了针对数据管理和仲裁的高效硬件支持的 ARM 处理器,通过此方式,多个软件环境及其应用程序将能够同时访问系统功能。这样,就实现了可靠、具有相互隔离的虚拟环境的设备。
大物理地址扩展 (LPAE) 大物理地址扩展 (LPAE) 的引入允许处理器可访问最大 1TB 内存。
优化的 1 级 cache 性能和功耗优化的 L1 cache 结合了最低访问延迟技术,可以在最大程度上提高性能和降低能耗。指令 cache 和数据 cache 都是 32KB。还为实现 cache 一致性提供了增强处理器间通信的选项或支持富 SMP 功能操作系统的选项,以便简化多核软件开发
集成的、可配置大小的 2 级 cache 控制器 在高频率设计或需要降低与芯片外内存访问关联的能耗的设计中,最多可对 4 MB cache 内存提供低延迟、高带宽访问
可靠性和软故障恢复 Cortex-A15 处理器内的所有 RAM(包括 L1 和 L2 cache)都受奇偶校验和 ECC 错误纠正功能的保护。此机制可纠正单位错误、检测双位错误和日志错误。ECC 支持不会影响常见情况(无错误)

AMBA® 4 CoreLink CCI-400 cache 一致性

Interconnect CoreLink CCI-504 cache 一致性网络

CoreLink CCI-400 提供符合 AMBA 4 AXI™ 一致性扩展 (ACE) 的端口,以在多个 Cortex-A15 MPCore 处理器之间实现完全一致,也可以更好地利用 cache 并简化软件开发。此 IP 对于高带宽应用是必需的,包括需要一致单核和多核处理器的群集的游戏、服务器和网络。CCI 与 ARM CoreLink™ Network Interconnect 和内存控制器 IP 相结合,提高了系统性能和能效。

CoreLink CCN-504 可扩展 SoC 的功能。完全一致的高性能多核解决方案使得在一块硅片上容纳多达 16 个内核成为可能。通过高达 1TB/s 的系统带宽和支持大 3 级 cache,SoC 设计者可以满足网络、服务器与其他企业级设备需求。

Cortex-A15 NEON 媒体处理引擎 (MPE) Cortex-A15 MPE 提供了一个引擎,该引擎可同时提供 Cortex-A15 浮点单元的性能和功能以及 NEON 高级 SIMD 指令集实现,以便进一步提高媒体和信号处理功能的速度。MPE 可扩展 Cortex-A15 处理器的浮点单元 (FPU),以提供一个 quad-MAC 以及附加的 64 位和 128 位寄存器集,在每个周期 8 位、16 位和 32 位整型以及 32 位浮点数据量的基础上支持一组丰富的 SIMD 操作。
Cortex-A15 浮点单元 (FPU) FPU 提供了与 ARM VFPv4 架构兼容的高性能的单双精度浮点指令,该架构是与上一代 ARM 浮点协处理器兼容的软件。

高级多核功能
该处理器还利用得到广泛认可的 ARM MPCore 多核技术,支持性能可伸缩性并可控制功耗,超过现今类似的高性能设备的性能,同时能够在严格限制移动电源的情况下维持运行。多核处理功能为四个组成处理器中的任何一个处理器提供在不使用时关闭的功能,例如,当设备处于待机模式时关闭以节省功耗。当需要更高性能时,将使用所有处理器以满足需求,同时仍分担工作负载以保持尽可能低的功耗。
侦测控制单元 SCU 负责管理互连、仲裁、通信、cache 之间的传输和系统内存传输、cache 一致性以及处理器的其他功能。Cortex-A15 MPCore 处理器还将这些功能应用到其他系统加速器及非 cache DMA 驱动的外围设备,以提高性能和降低系统功耗。这一系统一致性还可降低在各个操作系统驱动程序中维持软件一致性所涉及的软件复杂性。
加速器一致性端口 SCU 上的这个 AMBA 4 AXI™ 兼容的辅助接口为最好直接连接 Cortex-A15 处理器的主接口提供了一个互联点。该接口支持所有标准读写事务,而没有其他一致性要求。不过,针对一致的内存区域的任何读事务都会与 SCU 交互,以测试所需信息是否已存储在处理器的 L1 cache 内。SCU 将在写入数据转发到内存系统之前强制其保持一致性,并可能将该事务分配到 L2 cache,从而消除了直接写入对片外内存产生的功耗和性能影响
通用中断控制器 实现标准化、基于架构的中断控制器后,GIC 可提供内容丰富、使用灵活的方式来中断处理器间通信以及路由系统中断和确定其优先次序。在软件控制下,最多支持 224 次独立中断,每次中断均可在 CPU 之间分布,经过硬件确定优先级,然后在操作系统和 TrustZone 软件管理层之间路由。借助虚拟机监控程序,此路由灵活性以及支持虚拟化操作系统中断这一特性赋予了增强解决方案功能所需的其中一个主要功能。

支持技术

Cortex-A15 MPCore 处理器融合了各种各样的 ARM 技术并由这些技术提供支持,包括系统 IP、物理 IP 和开发工具。ARM Connected Community™ 中的各种 SoC 和软件设计解决方案、工具和服务都是这项技术的有益补充。这为 ARM 合作伙伴提供了一种涵盖全功能开发、验证和生产的方法,增加了设备的吸引力,同时显著缩短了上市时间。

系统 IP

ARM™ 互连和内存控制器 IP 解决了在多个 Cortex-A15 MPCore 处理器、高性能媒体处理器和动态内存之间高效移动和存储数据的重大难题,优化了 SoC 的系统性能和功耗。使用 CoreLink 系统 IP,SoC 设计人员可以最大限度地利用内存带宽并缩短静态和动态延迟。ARM CoreSight 技术不仅为 Cortex-A15 MPCore 处理器所有内核提供完整的片上调试以及相关的实时 trace 可见性,还可降低高质量多处理软件的风险,加快开发速度。

全新的 AMBA® 4 cache 互连 (CCI) 提供最大系统带宽和最短延迟。CCI 提供符合 AMBA 4 AXI™ 一致性扩展 (ACE) 的端口,以在多个 Cortex-A15 MPCore 处理器之间实现完全一致,可以更好地利用 cache 并简化软件开发。此功能对于高带宽应用是必需的,包括需要一致的单核和多核处理器的群集的游戏、服务器和网络。CCI 与 ARM CoreLink Network Interconnect 和内存控制器 IP 相结合,提高了系统性能和能效。

物理 IP

ARM 物理 IP 平台可提供工艺上得到优化的 IP,从而能够在采用 40 纳米及以下工艺时获得同类最佳的 Cortex-A15 处理器实现。包含适用于 28 纳米技术的高级 ARM 物理 IP 的一组高性能处理器优化包 (POP) 支持 Cortex-A15,以快速开发领先的物理实现。ARM 还在很早就着手准备,确保遵循旨在实现 20nm 优化的路线图。

优化包支持 ARM 旨在提供专用型物理 IP 的战略,以支持合作伙伴获得优化的 ARM 内核实现。ARM 独家拥有同时设计优化包和 Cortex-A15 MPCore 处理器架构的功能,支持组合使用处理器和物理 IP 以在移动功耗包络中提供工作站级性能,并加快上市速度。

工具支持

ARM Development Suite 5 (DS-5™) 工具套件完全支持所有 ARM 处理器以及各种第三方工具、操作系统和 EDA 流程。ARM DS-5 软件开发工具独一无二,能够提供的解决方案充分利用完整 ARM 技术组合的优势。

ARM DS-5 提供了一整套软件工具,用于创建、调试和优化基于 Cortex-A15 MPCore 处理器的系统。它纳入了 DS-5 调试器,该调试器具有强大且直观的图形环境,支持快速调试裸机、Linux 和 Android 本机应用程序。此外,其中包含的全新 ARM Streamline™ 性能分析器简化了软件中的热点识别和内核之间的负载平衡。ARM 编译器已包括针对 Cortex-A15 MPCore 处理器的特定优化,其支持在芯片可用之前进行早期软件开发和基于 ARM 快速模型技术构建的 ARM Versatile™ 参考虚拟平台。

图形处理器

媒体处理器 Mali™ 系列产品组合可提供完整的图形栈以满足所有嵌入式图形要求,从而使设备制造商和内容开发商能够为范围广泛的消费类设备提供最高质量的尖端图形解决方案。

支持

ARM 培训课程主动协助现场系统设计咨询服务,可帮助授权使用方高效地将 Cortex-A15 MPCore 处理器集成到其设计中,以实现最高系统性能,同时最大限度地降低风险和缩短上市时间。


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