非主流处理器大观(一)
硬件周刊
编者按
从本期开始，我们将对Power PC、Antaur、Eden等一系列非主流处理器进行介绍。虽然这些产品并不是主流产品，但在计算机发展中，它们仍然是不可忽略的。希望借此机会，让大家对它们有所了解。
全美达是什么
提到移动处理器，可能大家首先想到的便是Intel的Pentium-M，其次便是AMD的Athlon-M。除此之外还有威盛的Antaur。对于Transmeta(全美达)公司生产的Crusoe微处理器可能很多人都不知道。全美达2000年初就正式发布了兼容x86指令全新架构的微处理器。这是一款设计比较奇特的处理器，它采用了硬件和软件混合的结构，将处理器的很多功能交由软件来完成，它能够根据工作的需要来命令处理器释放出相应的性能，既满足了满载时候对性能的需要，又可以更好地利用能量，不作无谓的消耗。基于这样的设计思路，全美达处理器的功耗极小，可以满足移动设备长时间工作的需要。近年来，全美达处理器已经发展成为两个系列，一种是强调性能并且注重节电性的Efficeon处理器；另一种就是强调低功耗的Crusoe处理器。Crusoe处理器主要应用于便携式PC或智能终端以及要求发热量小、功耗低的应用场合。在2004年1月初发布的Crusoe TM5900/5700处理器就是全美达对低发热量、低功耗处理器的最新诠释。
Crusoe处理器的特点
TM5900芯片的封装尺寸为21mm×21mm(图1)，比以往的Crusoe处理器要小。它继承了Crusoe产品系列处理器的耗电量小和性能高的特点。不过，TM5900仍然采用的是128位的VLIW(超长指令)引擎，而不是类似于Efficeon的256位VLIW引擎，所以每个时钟频率最多只能执行4条指令。TM5900的起始工作频率为800MHz，最高为1GHz(TM5700工作频率为667MHz)，L1缓存为128KB，L2缓存为512KB。采用0.13微米制程，最大功耗9.5W。Crusoe处理器的另一大特点就是将北桥控制芯片整合在处理器中，芯片上整合有一个32位的工作频率为33MHz的PCI总线接口的控制器，一个支持133MHz工作频率的DDR内存控制器以及一个串行ROM接口的控制器(图2)。这样做不但可以减少建立系统所需要的芯片数、还可以减少耗电量，最重要的是可以减小移动终端的尺寸并降低成本。从技术特点上来看，MT5900只是全美达Crusoe处理器的高频率版本，并没有太多的技术特点，惟一可以提及的就是省掉了一个对SDRAM支持的内存控制器。
独一无二的核心
Crusoe处理器的核心架构与传统的x86处理器相比是相当简单的。与传统处理器的硬件执行逻辑、算术、移位和浮点指令单元不同，Crusoe处理器使用了与众不同的设计理念。它采用一个名为代码融合软件的技术来帮助处理器执行x86指令。也就是说处理器仅仅是基于硬件产生VLIW指令集，利用代码融合软件来将VLIW指令转换成x86指令。这样一软一硬才真正地组成了整个CPU。代码融合软件的典型作用是循环地解码和执行x86指令。首先，x86代码被执行，代码融合软件将它们解码为Crusoe处理器可以识别的指令，然后把它们分派给相应的VLIW本地指令子程序运行。一旦某一x86代码被多次执行，代码融合软件就会把该x86指令进行高度的优化，变为相当快速的VLIW本地指令，执行转换后的代码，并且缓存本地指令便于将来使用。如果相同的x86代码需要被再次执行，高性能的缓存传输立即被执行，并不需要重新编译。这样一来，Crusoe处理器的硬件逻辑控制单元就得以保持简单的设计，利用软件控制进程的指令运行就可以减少控制逻辑晶体管的数目，性能与功耗的比率能够比传统的x86架构大得多。而且最主要的一大优点是，只要将代码融合软件进行优化，处理器的性能就可以得到直接提升，甚至还能修正某些设计上的BUG。
低功耗如何实现
传统的x86微处理器的架构使得它至少需要5500万个晶体管才能满足现今的软件运算需要。而随着处理器的工作频率不断提升，所需要的晶体管也日益增加，新的Prescott核心处理器具有1.25亿个晶体管，如此庞大数目的晶体管运行时需要大量的电能，随之而来的便是巨大的功耗和散热问题。而Crusoe处理器使用代码融合软件来取代逻辑晶体管的设计就避免了这一问题，因此，它具有低功耗以及低发热量的优点，当然，这也是以牺牲性能为代价换来的。除了处理器本身晶体管数目少带来的低发热量外，代码融合软件还可以通过硬件进一步调节处理器的功耗。这就是全美达最具杀伤性的武器──LongRun电源管理技术。LongRun技术允许代码融合软件根据软件对处理能力的需求，敏感地调节Crusoe处理器的电压和时钟频率。因为功耗与时钟频率和电压成正比，调节之后功耗即可立即改变。虽然传统CPU主要也是靠这种方式调节功耗，但是LongRun的敏感程度比其他任何处理器都要高。在处理器工作时，LongRun一直监视处理器的工作，并且一旦运行的条件改变就立即动态交换这些信息，然后找出电流工作满载的最低频率/电压点来代替刚才的工作频率/电压点。这些改变对于处理器来说都是连续的、即时的，所有的调节对用户来说都是无缝和透明的。
意义
对于便携式系统而言，设备的移动性是至关重要的。而移动性又和电源的供电时间紧密的联系在一起的。从这个角度考虑，处理器是否可以提供强劲的性能就显得不是那么重要了──只要够用就行。虽然性能不如Intel的Pentium-M，但TM5900这种专为移动设备而开发的处理器有着Intel也无法比拟的低功耗的特点，在相同的使用情况下，Crusoe处理器可以比Pentium-M处理器减少至少60%的功耗，这样它便能够提供比普通处理器多至少两倍的操作时间。因此，Crusoe处理器非常适宜应用在笔记本电脑、个人PDA手持设备以及平板电脑等便携式设备中，例如SONY的VAIO U(PCG-U3)笔记本电脑就是采用的Crusoe TM5800处理器。同时由于低发热量和很强的电源管理特性Crusoe也适合应用于精简型电脑、刀片式服务器、打印机、复印、POS终端、智能型家电以及机顶盒等设备中。