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ARM svela il Cortex-A7: più prestazioni e maggiore efficienza energetica per i futuri dispositivi portatili

ARM Cortex-A7

Il processore Cortex-A7 presentato recentemente da ARM rappresenta il core ad elevate prestazioni con il maggiore grado di efficienza sviluppato sino ad ora dalla casa di Cambridge, destinato a rafforzare la supremazia di ARM nel settore dei dispositivi di bassa potenza come smartphone, tablet, ed altri dispositivi mobili.

Cortex-A7 - overview

Il processore Cortex-A7 presentato recentemente da ARM rappresenta il core ad elevate prestazioni con il maggiore grado di efficienza sviluppato sino ad ora dalla casa di Cambridge, destinato a rafforzare la supremazia di ARM nel settore dei dispositivi di bassa potenza come smartphone, tablet, ed altri dispositivi mobili.

Il Cortex-A7 è pienamente compatibile con gli altri dispositivi della serie Cortex-A, e, in particolare, dispone della stessa architettura e incorpora le stesse caratteristiche tecniche del processore più performante, il Cortex-A15. I due processori Cortex-A7 e Cortex-A15 possono lavorare in tandem, all'interno di una particolare configurazione denominata da ARM big.LITTLE, in grado di assicurare una combinazione senza precedenti tra prestazioni elevate e bassi consumi energetici. Si pensi che un singolo processore Cortex-A7 (nome in codice: Kingfisher), rispetto al modello A8 della stessa serie (che equipaggia buona parte degli smartphone attuali), presenta un miglioramento in termini di efficienza energetica fino a 5x, un incremento delle prestazioni fino al 50%, e una riduzione delle dimensioni pari all'80%. Si osservi al proposito la seguente immagine, la quale mette a confronto il processore Cortex-A7  in configurazione single-core) in tecnologia da 28nm operante alla frequenza di 1GHz con il Cortex-A8 realizzato in tecnologia da 45nm:

Il significativo miglioramento delle prestazioni viene misurato dal grado di efficienza riscontrabile nella navigazione sul web, ed è determinato prevalentemente dai seguenti fattori:

  • pipeline ad 8 stadi di tipo in-order con predizione dei branch
  • miglioramenti nell'unità di gestione della memoria e nell'interfaccia del bus
  • cache di livello 2 integrata a bassa latenza e dotata di un'interfaccia di controllo software semplificata

 

Cortex-A7 - caratteristiche tecniche

Le principali caratteristiche tecniche del nuovo processore Cortex-A7 possono essere così riassunte:

  • tecnologia Thumb-2 - è la tecnologia utilizzata per fornire le prestazioni di punta nei processori ARM, con una riduzione fino al 30% della memoria richiesta per memorizzare le istruzioni
  • tecnologia TrustZone - assicura la gestione degli aspetti legati alla sicurezza, come la gestione dei diritti digitali e le varie forme di pagamento elettronico
  • tecnologia NEON - consente di accelerare gli algoritmi impiegati nelle applicazioni multimediali e di elaborazione del segnale, come la codifica/decodifica video, la grafica 2D/3D, il gaming, l'elaborazione dell'immagine e del suono, la telefonia, e la sintesi sonora
  • estensioni DSP e SIMD - aggiungono al processore la capacità di eseguire funzionalità tipiche dei DSP, mantenendo nel contempo dei livelli di assorbimento molto contenuti, necessari per le applicazioni portatili alimentate a batteria. L'estensione DSP è richiesta per molti tipi di applicazioni tra cui controllo motori, codec audio e video, VoIP
  • supporto in virgola mobile - è disponibile il supporto hardware per calcoli in half, singola, e doppia precisione, particolarmente utile per le applicazioni Internet ad elevate prestazioni come set-top box e gateway
  • Jazelle RCT - consente di ottenere una riduzione fino a 3x della dimensione del codice
  • virtualizzazione - è disponibile un supporto hardware alla tecnica che consente di disporre di più ambienti software in grado di accedere contemporaneamente attraveso le proprie applicazioni, alle risorse del sistema. Ciò permette di realizzare dei dispositivi molto robusti, con ambienti virtuali molto ben isolati l'uno dagli altri
  • Large Physical Address Extensions (LPAE) - questa caratterisitica consente al processore di accedere fino ad 1Tb di memoria
  • cache ottimizzata di livello 1 - sono disponibili una cache dati e una cache indirizzi da 32Kb ciascuna, con opzione disponibile per la coerenza
  • controllore integrato e configurabile per la cache L2 - è caratterizzato da una bassa latenza e da un'elevata ampiezza di banda (fino a 4Mb)
  • affidabilità - tutta la memoria RAM e le cache L1 e L2 del processore Cortex-A7 sono protette da meccanismi di correzione degli errori basati sulla parità e sull'ECC. E' possibile correggere errori sul singolo bit, e rilevare errori su 2 bit
  • AMBA4 CCI - Il CCI (Cache Coherent Interconnect) mette a disposizione delle porte conformi all'AMBA4 AXI, per la connessione con controllo di coerenza tra più dispositivi Cortex-A7 MPCore. Questa funzionalità è essenziale per le applicazioni che richiedono un'elevata ampiezza di banda, come i video giochi, e le applicazioni di rete o i server
  • NEON Media Processing Engine (MPE) - l'MPE è un engine che unisce il supporto hardware ai calcoli in virgola mobile con un'implementazione del set di istruzioni NEON, al fine di ottenere un'ulteriore accelerazione per le funzioni multimediali e di elaborazione dei segnali
  • FPU - la floating point unit del Cortex-A9 è compatibile con l'architettura ARM VFPv4, a sua volta compatibile a livello software con le precedenti versioni di coprocessori in virgola mobile ARM

Il processore Cortex-A7 utilizza anche l'affermata tecnologia ARM MPCore multicore, basata sulla scalabilità dei core e sul controllo dell'assorbimento di potenza. Il processing multicore permette a ciascuno dei quattro core disponibili di essere disattivato quando non viene utilizzato (ad esempio quando si trova in modalità stand-by) ottenendo un significativo risparmio di potenza.

L'architettura big.LITTLE

Questa innovativa architettura sviluppata da ARM accoppia un processore ARM "big" (il Cortex-A15) con un processore "LITTLE" (il Cortex-A7) con lo scopo di creare un sistema in grado di eseguire processing sia di alta che di bassa intensità, sempre nella modalità più efficiente dal punto di vista energetico. I due processori vengono connessi in modalità coerente tramite l'interfaccia CCI-400. Il punto chiave di questo sistema è che entrambi i processori hanno la stessa architettura, entrambi implementano l'architettura ARM v7A, incluse la virtualizzazione e l'LPAE. Tutte le istruzioni verranno perciò eseguite in modo consistente su entrambi i processori, anche se con prestazioni differenti. Le differenze tra il Cortex-A15 e il Cortex-A7 emergono a livello di micro-architettura. Mentre il Cortex-A7 è un processore in-order, non-symmetrico con una lunghezza di pipeline compresa tra 8 e 10 stadi, il Cortex-A15 è un processore out-of-order con una lunghezza della pipeline compresa tra 15 e 24. Lo schema a blocchi relativo al sistema big.LITTLE è mostrato nella seguente immagine:

La seguente tabella illustra invece le differenze dal punto di vista delle prestazioni e da quello energetico tra il Cortex-A15 e il Cortex-A7, misurate attraverso una serie di benchmark.

Freescale e il Cortex-A7

Freescale è stata una delle prime aziende produttrici di semiconduttori ad assicurarsi una licenza per i processori ARM Cortex-A7 e Cortex-A15, che verranno impiegati sulle future versioni di dispositivi della serie i.MX. Facendo leva sul sistema big.LITTLE sviluppato da ARM, Freescale avrà la possibilità di sviluppare un Sistem-on-Chip con due processing engine differenti ma nello stesso tempo compatibili, consentendo al software di gestione dell'alimentazione di selezionare senza soluzione di continuità il processore più adatto a svolgere una particolare applicazione. Ciò consente di ridurre l'assorbimento complessivo di potenza e di estendere la durata delle batterie, un fattore cruciale per i dispositivi portatili.

ARM Cortex-A7

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