ARM架构分析（2）——ARM架构关键技术

Author: Apenper
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VFP：

ARM 浮点架构 (VFP) 为半精度、单精度和双精度浮点运算中的浮点操作提供硬件支持。它完全符合 IEEE 754 标准，并提供完全软件库支持。 

ARM VFP 的浮点功能为汽车动力系统、车身控制应用和图像应用（如打印中的缩放、转换和字体生成以及图形中的 3D 转换、FFT 和过滤）中使用的浮点运算提供增强的性能。下一代消费类产品（如 Internet 设备、和）可直接从 ARM VFP 受益。

VFP 应用

• 汽车控制应用
  • 动力系统
  • ABS、牵引控制和主动悬架
• 3D 图形
  • 数字消费类产品
  • 机顶盒、 机
• 图像
  • 激光打印机、、数码摄像机
• 工业控制系统
  • 运动控制

工业和汽车领域中的许多实时控制应用都得益于 ARM VFP 提供的浮点的动态范围和准确性。汽车动力系统、防抱死制动系统、牵引控制和主动悬架系统都是关键业务应用，它们对准确性和可预测性的要求必不可少。

VFP 架构版本

在 ARMv7 架构之前，VFP（Vector Floating Point) 代表用于矢量运算的矢量浮点架构。

对于许多应用来说，设置硬件浮点至关重要，并且硬件浮点可用作使用高级设计工具（如 MatLab、MATRIXx 和 LabVIEW）直接对系统建模和派生应用程序代码的片上系统 (SoC) 设计流程的一部分。在与  多媒体处理功能结合使用时，可增强图像应用程序的性能（如缩放、2D 和 3D 转换、字体生成和数字过滤）。

迄今为止，VFP 主要有三个版本：

1. VFPv1 已废弃。要获取详细信息，可向 ARM 发送相关请求。
2. VFPv2 是对 ARMv5TE、ARMv5TEJ 和 ARMv6 架构中 ARM 的可选扩展。
3. VFPv3 是对 ARMv7-A 和 ARMv7-R 配置文件中 ARM、  和 ThumbEE 指令集的可选扩展。可使用 32 个或 16 个双字长寄存器实现 VFPv3。术语 VFPv3-D32 和 VFPv3-D16 用于区别这两个实现选项。扩展 VFPv3 使用半精度扩展，可在半精度浮点和单精度浮点之间提供双向转换功能。

VFP9-S

ARM VFP9-S 可合成矢量浮点 (VFP) 协处理器与所有 E? 系列处理器内核兼容。它支持单精度和双精度浮点；使 ARM 软件完全符合 IEEE754，或仅使硬件大致符合 IEEE754。支持代码包含两个组件：例行程序库和一组异常处理程序，前者执行未实现功能（如超越函数）和一些支持的功能（如分割），后者用于处理异常情况。

VFP9-S 功能

• ARM VFPv2 ISA
• 16 个双精度或 32 个单精度寄存器
• 使 ARM 支持代码完全符合 IEEE754
• 大致符合 IEEE754 的快速运行模式（仅硬件）
• 与 VFP10 和 VFP11 保持二进制兼容
• 可使用支持工具和单元库移植到任何工艺
• 100 - 130K 门
• 1.3Mflops/MHz
• 面积 <1.0mm2 TSMC 0.13?m G
• 180 - 210MHz（最坏情况）TSMC 0.13?m G
• <0.4mW/MHz（典型情况）功耗 TSMC 0.13?m G

VFP9-S 优点

ARM VFP9-S 的矢量处理功能对汽车动力系统、车身控制应用和图像应用（如打印中的缩放、转换和字体生成以及图形中的 3D 转换、FFT 和过滤）中使用的浮点运算提供增强的性能。下一代消费类产品（如 Internet 设备、机顶盒和家庭网关）可直接从 ARM VFP9 受益。

VFP9-S 应用

• 汽车控制应用：
  • 动力系统
  • ABS、牵引控制和主动悬架
• 3D 图形
• 数字消费类产品
  • 机顶盒、游戏机
• 图像
  • 激光打印机、静态数码相机、数码摄像机
• 工业控制系统
  • 运动控制

工业和汽车领域中的许多实时控制应用都得益于 ARM VFP9-S 提供的浮点的动态范围和准确性。汽车动力系统、防抱死制动系统、牵引控制和主动悬架系统都是关键业务应用，它们对准确性和可预测性的要求必不可少。

将 VFP9-S 整合到 SoC 设计中后，可使开发速度更快、性能更可靠。使用技术计算工具（MatLab、MATRIxx 等）可直接对系统建模和派生应用程序代码，从而确保系统设计行为更准确、可靠和可预测。

VFP10

ARM VFP10 是硬宏单元矢量浮点 (VFP) 协处理器，与所有 ARM10E? 系列的 CPU 内核兼容。它支持单精度和双精度浮点；使 ARM 支持软件完全符合 IEEE754，或仅使硬件大致符合 IEEE754。支持代码包含两个组件：例行程序库和一组异常处理程序，前者执行未实现功能（如超越函数）和一些支持的功能（如分割），后者用于处理异常情况。

VFP10 功能

• ISA 是 ARM VFPv2
• 16 个双精度或 32 个单精度寄存器
• 具有 64 位 LD/ST 接口的大型独立寄存器文件
• 使 ARM 支持代码完全符合 IEEE754
• 大致符合 IEEE754 的快速运行模式（仅硬件）
• 与 VFP9 和 VFP11 保持二进制兼容
• 标量和矢量操作支持（FP DSP 的理想选择）
• 并行 LD/ST、FMAC 和 DIV/SQRT 执行引擎
• 2.0Mflops/MHz
• 面积 ~1.16mm 2 TSMC 0.13?m LV
• 最多 325MHz（最坏情况）TSMC 0.13?m LV
• <0.4mW/MHz（典型情况）功耗 TSMC 0.13?m LV

VFP10 指令集 (VFPv2)

• 运算：
  • Add、Sub、Mult、Neg-Mult、Negate、Abs Value、Compare、Div、Square Root
• FMAC（单版本和双版本）：
  • Multiply-Add、Multiply-Subtract、Neg-Multiply-Add、Neg-Multiply-Subtract
• 类型转换
• 加载/存储标量和矢量，64 位/周期

VFP10 优点

ARM VFP10 的矢量处理功能对汽车动力系统、车身控制应用和图像应用（如打印中的缩放、转换和字体生成以及图形中的 3D 转换、FFT 和过滤）中使用的浮点运算提供增强的性能。下一代消费类产品（如 Internet 设备、机顶盒和家庭网关）可直接从 ARM VFP10 受益。

许多应用程序本身可从浮点的动态范围和准确性中受益。许多应用程序将移至到嵌入式应用程序，这些应用程序多年来始终基于浮点。推出 VFP10 后，可使用技术计算工具（如 MatLab 或 MATRIxx）轻松转换到嵌入式领域。

VFP10 应用

• 汽车控制应用
  • 动力系统
  • ABS
  • 牵引控制和主动悬架
• 数字消费类产品
  • 机顶盒、游戏机
• 3D 图形
  • FFT 和 FIR 过滤
• 图像
  • 激光打印机、静态数码相机、数码摄像机
• 工业控制系统
  • 运动控制

工业和汽车领域中的许多实时控制应用都得益于 ARM VFP10 提供的浮点的动态范围和准确性。汽车动力系统、防抱死制动系统、牵引控制和主动悬架系统都是关键业务应用程序，它们对准确性和可预测性的要求必不可少。将 VFP9-S 整合到 SoC 设计中后，可使开发速度更快、性能更可靠。使用技术计算工具（MatLab、MATRIxx 等）可直接对系统建模和派生应用程序代码，从而确保系统设计行为更准确、可靠和可预测。


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