Intel ATOM处理器剖析与研究

一 逆风飞翔——ATOM系统架构概览　　ATOM是Intel推出的一系列处理器的总称。它包括第一代的N270(Diamondville)、Z5xx(Silverthorne)等，其指令集和寻址方式仍然基于Intel的IA32架构，也就是说，在指令集方面同通用的x86系列处理器兼容。因而，原有的x86处理器上的操作系统内核，往往只需要做不大的修改就能够在ATOM上运行，而应用软件的移植(porting)也不是一件困难的事情。　　基于Intel x86处理器的系统，有三芯片系统和二芯片系统的区分。对于三芯片系统，三个主要芯片为CPU，北桥(GMCH)和南桥(ICH)。北桥和CPU之间由FSB相连，北桥集成了内存控制器、PCI/PCIE总线控制器等复杂大规模逻辑，一面连接到DRAM，如EDO DRAM/SDRAM/RAMBUS/DDR 等不同标准的内存。目前最新的动态内存(Dymatic RAM)标准为DDR3。　　北桥和南桥之间通过PCI-E或PCI总线连接。PCI是旧的标准，其传输理论最大带宽，按PCI-X的标准，为1064MBps(64bit * 133MHz/8bit)。而且，由于PCI总线的地址/数据复用机制，在PCI的非Burst传输，特别是从外设读的效率非常低下。更加雪上加霜的是，PCI总线属于共享总线，一条总线上所有的设备，在总线仲裁机制下，共享这一有限的带宽。熟悉计算机网络的同学，可以用基于Hub的半双工以太网来类比PCI总线，整个总线上，在某一时刻只能有两个设备在单向交互(Transaction)。因此，在Pentium III及以后的系统中，PCI总线越来越成为南北桥之间的瓶颈。随着时代的进步，PCI-E在最新的计算机系统中逐渐取代了PCI/PCI-X，成为新一代局部总线(Local Bus)的标准。　　PCI-E总线在软件操作上同PCI总线没有本质的不同，都是通过对配置空间的读写，获取到DMA和I/O地址段后对之使用常规的内存地址读写指令进行访问。用官方的语言来说，就是：系统从PCI到PCI-E的升级，对于软件(这里指驱动)来说是平滑的。PCI-E相对与PCI的改进主要是在硬件上，使用Serdes取代了PCI的并行传输，因此速率大大提升，并且减少了连接器引脚，降低了PCB布线的难度。另外就是引入了PCI-E Switch的概念，替代了原有的PCI-PCI Bridge。PCI-E Switch实际上是将多个PCI-E桥集中在一起，彼此之间都是Full-mesh的无阻塞Crossbar交换。因此，在一些中低端分布式处理的系统中，也常使用PCI-E实现Switch fabric的功能。PCI-E的传输带宽是可变的，通常以Lane为单位来度量。一个Lane包括两对高速串行差分信号线，工作在2.5GHz下，能够实现双向全双工通信，带宽为5Gbps。由于PCI-E使用8b/10b编码，每个Lane的字节传输速率可折算为0.5GBps。一个16个Lane的PCI-E总线的传输速率高达8GBps，这是传统PCI总线无可匹敌的。另外，PCI-E数据传输使用数据包方式，这一方式在数据组块传输时，开销大大小于PCI的Burst方式。这也进一步拉开了PCI-E和PCI之间的差距。另外，PCI-E还支持基于流量类别(TC)/虚拟信道(VC)的QoS/流控功能。　　如前文所述，由于PCI-E具有如此多的社会主义优越性，在现代计算机系统中，使用PCI-E作为局部总线(Local Bus)，也就是理所当然的了。　　为了降低成本，增加系统的可靠性，降低功耗，Intel在某些产品解决方案中，将南北桥集成在了一个芯片里，也就是所谓的二芯片系统。易言之，在一颗芯片集成了PCI-E总线控制器、内存控制器、GPU，以及传统南桥芯片中的各种集成I/O设备。这样，用以连接北桥与南桥之间的PCIE/PCI总线就不需要了。　　ATOM的N270系列使用了三芯片系统方案，而Z5xx系列使用的是二芯片系统方案。　　　　N270的系统结构图如图1-1所示：图1-1 ATOM N270典型系统框图　　与经典的x86 Pc类似，ATOM N270的系统由CPU、北桥和南桥构成。北桥为Intel 945芯片，Intel称之为Graphics Memory Controller Hub(GMCH)，也就是集成了动态内存(DRAM)控制器、PCI-E总线控制器、GPU(即俗称的集成显卡)。而南桥为Intel ICH7-M，ICH是IO Controller Hub的简称，基本上，整个系统的“粗活杂活”都由它承担：连接海量存储器的SATA/PATA接口；连接扩展PCI/PCIE接口的PCIE-PCI Bridge；USB2.0控制器；Intel的Audio Controller(俗称的集成声卡)；82583 GigabitEthernet Controller (集成千兆以太网卡)。由于集成了PCIE-PCI Bridge，ICH-7还可以引出PCI-E和PCI扩展接口，可以连接SCSI控制卡、以太网网卡、WLAN(802.11)卡、高速模拟采集卡等外设。另外，传统Intel x86系统的Flash(BootROM/BIOS)控制接口、定时器8253、并行IO控制器8255，均集成在这颗南桥芯片中。　　而ATOM Z5xx系列的集成度，比N270系列来得更高。图1-2是基于Z5XX系列的系统硬件框图：　　图1-2 ATOM Z5xx典型系统框图 　　可以看出，Z5xx系统与N270系列系统的差别，就在于南桥和北桥整合到了一个芯片中。Intel给它起名为System Controller Hub，与CPU直接通过FSB相连。                                                                                            图1-3 几张表现ATOM尺寸的照片　　上图是几张摘自Intel官方文档的照片。从这张照片可以看出，ATOM非常小巧，die的面积只有几十mm2，而整个芯片面积也只有不到200mm2。这个面积是多大呢？大约比一颗围棋子略小。回忆一下火柴盒大小的PentiumIII/P4处理器，可以看出，Intel在这方面的确下了大功夫。　　综上所述，Intel的ATOM实际上可以视为一套低功耗、低成本的轻量级嵌入式系统解决方案。在硬件设计的层面上，Intel的工程师们也为这个目的而付出了很多的心血。现在，就让我们继续通过Intel公开的资料，来剖析这个五脏俱全的ATOM的内在世界。[ 关键词：Intel　ATOM　原文/来源链接 ]                          >> 相关文章·冀勇庆：Intel为什么投资互联网？(2顶)·英特尔第三季微处理器市场份额增至81.5%(2顶)·Intel将研发八核16线程处理器(2顶)·[图]英特尔首次发布手机操作系统,代号Mob(4顶)·Q2英特尔全球市场份额84% 创近4年来新高(3顶)