和任天堂的上一代掌机一样，NDS的系统围绕一个名为CPU NTR的大芯片展开。 其中"NTR"是"Nitro"的缩写，是最初的NDS的代号。 该SoC也是一个成功的任天堂-ARM合作伙伴关系的延续，该合作始于Game Boy Advance。
现在，在我们查看新CPU之前，让我们看看ARM在90年代后期的发展，因为这影响了最终在任天堂DS中找到的技术。
ARM的新领域
在90年代中期，ARM公司从移动市场中获得了大量业务（在手机变得"智能"之前）。 然而，它在满足某个特定行业方面遇到了困难：高性能计算。 ARM7被许多移动设备广泛采用，但它未能完全满足苹果公司（其"Newton"PDA系列）和Acorn公司（其RiscPC系列）的需求，这些公司都发布了可以从更快的CPU中受益的软件。 除了缺乏64位解决方案（MIPS已经在商业化外），ARM还无法生产出速度超过40 MHz的CPU。 总体来说，瓶颈开始累积。
DEC 的 'Digital Personal Workstation' 型号 433au（1997 年），配备 Alpha 21164A CPU。
然而，在ARM7线的商业化过程中，ARM已经开始开发一个称为ARM8的继任者，这是进入高性能市场的第一次尝试。 巧合的是，Digital Equipment Corporation (DEC)，这家以其 PDP 和 VAX 系列机器（所谓的'小型计算机'）及复杂的 VMS 操作系统而闻名的美国公司，正面临一个相反的问题：他们难以基于其高性能解决方案交付低功耗 CPU。
好吧，事情是这样的，ARM 的授权模式 为 DEC 提供了一个机会，它选择通过借用 ARM 的材料（其指令集和微架构）开发新的 CPU。
最终，DEC借助ARM的帮助，采用其基于RISC的Alpha处理器的数据路径设计，并与ARM的微架构相结合 。 这种合作产生了StrongARM CPU，于1996年发布，针对高性能市场。
这是用于Acorn RiscPC CPU升级卡的233 MHz StrongARM CPU。
StrongARM是一种基于ARM的新型CPU，其特点包括：
- ARMv4指令集。 如果你想了解更多，我之前在Game Boy Advance的文章中分析过。
- 高达233 MHz的时钟速度，比最强的ARM7芯片快约583%。
- 5级流水线，与原来的3级设计相比又做了提升。
- 一个新的缓存系统，实现了Harvard架构，其中16 KB用于指令，另16 KB用于数据。
- 这种设计有助于缓解内存瓶颈（这是冯·诺依曼/普林斯顿模型所遭受的问题）。
值得一提的是，这个芯片仍然能够以3.3 V的电源工作，就像以前的ARM芯片一样。 事实上，StrongARM需要2伏电压，仅消耗1瓦功率 。 相比之下，英特尔的200 MHz奔腾芯片运行在3.5 V，功耗高达15.5 W 。
正如预期的那样，Acorn和Apple都被这个新芯片所迷住，它们分别立即使用DEC的发明来出货CPU升级和新的Newton模型。
同年，ARM还发布了他们承诺的基于ARM8的CPU，ARM810。 它相对较慢，并且在实际应用中没有提供任何优势。 因此，投入不足和时间过晚导致了没有商业兴趣。 因此，ARM继续改进ARM7系列以适应移动市场。 然而，DEC 的 CPU 潜力是如此具有破坏性，以至于 ARM Holdings 吸收了 StrongARM 的设计 ，以生产其下一代 CPU，即 ARM9（这也是任天堂 DS 所采用的）。
转折点
借助StrongARM，ARM还巩固了其在掌上市场的地位，完全取代了作为可行替代品的MIPS和SuperH。 从那时起，ARM走上了成为最广泛采用的移动设备架构的道路。
不幸的是，对于DEC来说，这个CPU将是他们在1998年被Compaq收购之前的最后一个重大成就。 然后，StrongARM 的命运将掌握在英特尔手中，他们在新的 'Intel XScale' 系列下继续开发... 直到他们清算该部门以专注于 '低功耗' 的 x86 CPU（即英特尔 Atom）。 15年后，不仅英特尔错失了移动市场的机会，现在他们还发现自己在桌面领域与ARM展开激烈竞争。
任天堂首次亮相的SoC
除了上述改进外，CPU NTR还捆绑了一个有趣的多处理器架构，使用了两种不同的ARM CPU，ARM7TDMI和ARM946E-S。 这种设计是在ARM Holdings正式发布多处理器解决方案之前完成的。 因此，考虑到当前的技术实现，可能有人认为NDS的多处理器架构不是很正统。
CPU NTR芯片。
虽然这不是本系列第一次分析游戏机的并行系统，但是NDS的设计确与其他游戏机有很大不同。 例如，NDS的设计有别于世嘉土星"实验性质"的主从配置，也不同于PS1或者N64的"协处理器"方案。 NDS包括两台非常独立的计算机，可以分别独立执行操作。每台计算机都有一条专用的总线。 这种设计方法被称为非对称多处理（Asymmetric multiprocessing）。CPU因此而相互依赖，并将左右这款游戏机的整体性能。
现在让我们看看这两颗CPU。
ARM7TDMI
ARM7的结构与组成部分。
首先说说我们较为熟悉的CPU。 ARM7TDMI 与 GBA 的 CPU相同，但现在运行速度提高到约34 MHz（原速度的两倍）。 它仍然包含所有原有功能（特别是Thumb）。
然后讲讲新变化：由于任天堂的工程师将ARM7放置在大多数I/O端口旁边，这个CPU将负责调节和协助I/O操作。 事实上，另一个处理器不能直接连接I/O。 如你所见，ARM7不是负责整个系统的"主"处理器。它负责在多个组件之间传递数据，是用来分担一部分主CPU负载的"子处理器"。
ARM946E-S
ARM9的结构与组成部分。
这是任天堂DS的"主"CPU，ARM946E-S。 它的运行速度为约67 MHz，所以并不是"StrongARM速度"。 然而，作为ARM9系列的一部分，该核心不仅继承了ARM7TDMI和StrongARM的所有特性，还包括一些额外的部分，你可能会感兴趣：
- ARMv5TE ISA，是之前的ARMv4 ISA和Thumb的延伸，包含更多指令和更快的乘法器。
- 如果仔细观察核心的名称，字母"E"表示增强型（Enhanced）DSP。这意味着这些新指令大多与信号处理有关。
- 扩展手指有时被称为手指v2。 它增加了
BLX和BKPT，分别协助在ARM和Thumb模式之间的切换；并促进调试。
- 5级流水线，类似于StrongARM和ARM8系列。
- 12 KB L1缓存：核心现在具有缓存（原本在ARM7TDMI中缺少），与基于哈佛结构的StrongARM类似，8 KB用于指令，4 KB用于数据。
- 缓存采用写缓冲机制，其中RAM异步更新，因此CPU可以处理其他任务。
- 48 KB的紧耦合内存或"TCM"：类似于Scratchpad内存。 不过，这个系统区分了指令（32 KB）和数据（16 KB）。
- 一个集成的CP15协处理器。 它充当内存保护单元 (MPU)，规定了哪些内存范围可以被访问、缓存和/或写入。
任天堂在ARM9周围还添加了以下组件：
- 一个除法器和平方根单元，以加速这些类型的操作，因为ARM9本身不能执行这种类型的算术。
- 一个直接内存访问控制器（Direct Memory Access Controller, DMAC）：独立于CPU加速内存传输。 结合使用高速缓存，CPU和DMA有并发运行的潜力。
- 缓存和DMA可以提供很多性能，但也会造成新的问题，如数据完整性和一致性。 因此，开发者需要通过刷新写缓冲区来手动维护内存一致性，然后再触发DMA操作。
就NDS这硬件，也许不难发现孩子们喜欢这款游戏机的真正原因？
互连
到目前为止，我已经介绍了这两个CPU如何单独工作。 但是，作为一个整体运行，它们需要不断地合作。 为了实现这一点，两个CPU直接使用专用的FIFO单元进行"对话"，该数据块包含两个64字节队列（最多16个元素），用于双向通信。
FIFO单元示意图。
具体工作方式如下：发送方 CPU（发送消息的 CPU）将一个 32 位数据块放入队列中，接收方 CPU 可以从队列中拉取该块并对其执行所需的操作。
每当队列上写入一个值，它可以被任一CPU主动获取（轮询），但这需要不间断地检查新消息（开销会很大）。 或者，也可以激活一个中断单元，以便在队列中有新消息时通知接收方。
主存储器
就像GBA一样，NDS的RAM也被分散在许多不同的位置，以便根据访问速率来安排数据远近。 总之，可用通用内存如下：
该掌机的RAM模型。
- 32位总线的32 KB WRAM（Work RAM）：用于存储在ARM7和ARM9之间共享的快速数据。
- 请记住，同一地址一次只能由一个CPU访问。
- 32位总线的64 KB WRAM：同样用于快速数据，但只能从ARM7访问，就像GBA一样。
- 16位总线的4 MB PSRAM：速度较慢，可以由任一CPU访问，由内存接口单元控制。
- 伪静态随机存取存储器（Pseudo SRAM, PSRAM）是DRAM的一种变种，与DRAM相比，PSRAM芯片自己就能执行刷新操作。 因此，它的行为类似于SRAM（DRAM的一种替代品，更快但更昂贵）。 这种设计让我想起了1T-SRAM。
向后兼容性
尽管架构与前代有很大不同，但NDS仍成功地保留了关键部分，从而原生支持GameBoy Advance (GBA)游戏。
但是，为了将NDS转为"内部"GBA，前者包括一组软件例程（software routines），可以将游戏机设置为AGB兼容模式（AGB Compatibility Mode）。 此过程中，实际上会终止ARM9，禁用大部分"特殊"硬件，重定向总线，将ARM7置于控制位置，并将其频率降至16.78 MHz。 最后，ARM7开始引导初始的AGB BIOS，该BIOS引导GamePak卡带（就像本来的GBA一样）。 这种模式仍然展示出一些GBA所没有的特征，例如游戏显示时有黑边框（在下一节中我们将看到新屏幕分辨率恰好更大）。 此外，由于NDS有两个屏幕，所以用户可以设置用哪个屏幕显示GBA游戏。
一旦进入GBA模式，就没有退路了，必须重置游戏机才能重新激活其余硬件。
性能阉割
单个廉价芯片中安装了这么多复杂组件，强制他们协作导致出了一些问题，这并不是什么神秘的事情。
让我们从 ARM9 开始。该 CPU 的运行速度是 ARM7 的两倍，但大部分（甚至是全部）的 I/O 都依赖于 ARM7。 因此，ARM9容易出现过多的停滞，直到ARM7回复。 不仅如此，ARM9的外部总线速度只有一半，因此存在一些瓶颈问题。
此外，主存储器总线只有16位。 无论哪个CPU需要从存储器中提取一个字（32位宽），接口都会阻塞CPU，然后占用高达3个"等待"周期，直到拼成一个完整的字。 内存访问不连续时影响最严重，每次内存访问都会阻塞。 这个问题在指令获取时也会出现。不幸的是，当时的ARM不支持顺序操作码获取（sequential opcode fetching），这也影响到了Thumb指令（因为每次获取16位数据都要以32位的块为单位进行）。 另一方面，这个一些资料所谓的"penalty"，可以充分利用缓存和TCM来缓解。
总的来说，这意味着在最坏的情况下，这款ARM9"猛烈"的66 MHz的处理能力实际上会被降低到只有约8 MHz， 如果程序的缓存和TCM的利用率极低的话。
如果需要详细报告，我建议查看Martin Korth的文档，尤其是"DS Memory Timings"一节。