ARM平臺(tái)處理器簡(jiǎn)介

1.總體情況

先從ARM的wiki上抄個(gè)表過(guò)來(lái)：

左側(cè)的一列可以視作是ARM處理器的各個(gè)“代”，而右側(cè)則是同一代的各個(gè)“家族”（或者說(shuō)“系列”）?，F(xiàn)在基本已是ARMv7的時(shí)代，ARMv6及更早的Architecture只在一些低端的設(shè)備上能見(jiàn)到了。而ARMv8則是ARM平臺(tái)的未來(lái)時(shí)，被設(shè)計(jì)為64位的架構(gòu)，顯然不是主要面向移動(dòng)設(shè)備的。不過(guò)到現(xiàn)在為止ARMv8也只是有一些資料，離真正面世還有一段時(shí)間。

現(xiàn)在把重點(diǎn)放在ARMv7，更確切的，是ARMv7中的Cortex-A系列核心上來(lái)。Cortex-M系列處理面向嵌入式應(yīng)用，而Cortex-R系列則面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用，Cortex-A，則面向廣大的手機(jī)用戶。

2.Cortex-A系列的眾多核心們

*發(fā)布年份是ARM公布核心的時(shí)間（可能不太準(zhǔn)確）。

*A15的流水線前12級(jí)是in-order的，后面則是out-of-order的多種流水線，級(jí)數(shù)從3到12不等。A7類似，NEON部件的流水線是10級(jí)，整點(diǎn)則是8級(jí)。

現(xiàn)在來(lái)分析一下各個(gè)核心的參數(shù)。首先是Cortex-A后面的編號(hào)，大體上，這個(gè)編號(hào)代表該核心的性能，或者說(shuō)在ARM產(chǎn)品線中的位置。比如A5面向低端應(yīng)用，編號(hào)最??；A15是目前ARMv7性能中性能最高的核心；A7雖然發(fā)布晚于A8，而且規(guī)格接近，但由于限制了雙發(fā)帶寬，其性能預(yù)期是低于A8的?？偟膩?lái)看，A5的定位最低端，取代ARMv7之前的產(chǎn)品；A15最高端，A7性能低于A8，但更加節(jié)能，成本也更低；A8/A9則可能被取代，不過(guò)目前仍然是主流；A15則是目前為止ARM處理器中規(guī)格最高的了。

再看一下較新的核心中幾個(gè)重要的特性。A7和A15支持硬件虛擬化，以A7的定位來(lái)說(shuō)硬件虛擬化的支持似乎沒(méi)有太多用武之地，不過(guò)對(duì)于A15來(lái)說(shuō)則表明A15可能用于傳說(shuō)中的ARM服務(wù)器（不過(guò)算算時(shí)間似乎也沒(méi)有太多A15發(fā)揮的余地，畢竟64位的ARMv8更適合用于服務(wù)器）。大物理地址擴(kuò)展（LPAE）和x86上的PAE相似，允許32位的ARM處理器最大尋址2^40bit的內(nèi)存（1TB）。這又是一個(gè)表明A15可用于服務(wù)器的跡象，畢竟4G的尋址空間對(duì)現(xiàn)在的服務(wù)器來(lái)說(shuō)完全不夠用啊。

3.浮點(diǎn)和高級(jí)SIMD部件

ARMv7開(kāi)始使用VFPv3版本的浮點(diǎn)部件，而ARMv7中更新的核心則使用了VFPv4（ 見(jiàn)前面表格）。VFPv2則用于ARMv7之前的核心，現(xiàn)在還有一部分低端手機(jī)使用這種處理器；而使用VFPv1浮點(diǎn)部件的核心已經(jīng)基本淘汰掉了。ARM的高級(jí)SIMD部件稱為NEON，從ARMv7開(kāi)始出現(xiàn)

ARM浮點(diǎn)部件的一個(gè)問(wèn)題是對(duì)很多核心來(lái)說(shuō)是可選的，一些處理器并沒(méi)有浮點(diǎn)部件。不僅如此，盡管ARMv7的處理器基本都實(shí)現(xiàn)了浮點(diǎn)部件，但浮點(diǎn)部件也有多個(gè)可選實(shí)現(xiàn)，再加上NEON部件也是可選的，最后導(dǎo)致市面上的ARM處理器對(duì)浮點(diǎn)/SIMD的支持并不一致。下表列出了主要的VFPv3實(shí)現(xiàn)的版本（VPFv4的資料需要補(bǔ)充）：

上表中所說(shuō)的32位寄存器和64位寄存器并不是獨(dú)立的，前16個(gè)64位寄存器每個(gè)可以視為2個(gè)32位寄存器，同時(shí)，兩個(gè)64位寄存器可以視為一個(gè)128位寄存器。下圖來(lái)自ARM官方文檔，展示了32位寄存器和64位寄存器的關(guān)系：

對(duì)于VFPv3-D16、VFPv3-D16-FP16和VFPv4-D16來(lái)說(shuō)，上圖中的D16~D31是不存在的。除了上表中的版本，VFPv3還有單精度版本，只實(shí)現(xiàn)了單精度浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算指令，gcc中稱這種版本的VFPv為“vfpv3xd”，相應(yīng)的，還有vfpv3xd-fp16。不過(guò)這種實(shí)現(xiàn)的ARM處理比較少見(jiàn)。

NEON部件和浮點(diǎn)部件關(guān)系密切，在兩者同時(shí)存在時(shí)，使用的是同一套寄存器。不過(guò)，NEON的寄存器數(shù)目是固定的，和VFPv3/VFPv-FP16/VFPv4相同。這意味著，NEON不能和VFPv3-D16/VFPv3-D16-FP16這種寄存器閹割版共存。當(dāng)沒(méi)有浮點(diǎn)部件時(shí)，NEON部件只能進(jìn)行整點(diǎn)運(yùn)算。下表是NEON和VFP部件可能的組合：

從上面這個(gè)表可以看出，即使VFP部件實(shí)現(xiàn)了雙精度運(yùn)算的功能，NEON部件也只能進(jìn)行單精度運(yùn)算。不止如此，gcc的手冊(cè)之處，NEON的浮點(diǎn)運(yùn)算不完全符合IEEE 754標(biāo)準(zhǔn)，在某些情況下會(huì)損失精度，因此即使使用了自動(dòng)向量化的選項(xiàng)，浮點(diǎn)運(yùn)算的向量化默認(rèn)也是關(guān)閉的。

依據(jù)半精度和Fused Multiply-Ad擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)情況，NEON部件可以分為3種版本：

高級(jí)SIMDv1：兩者均未實(shí)現(xiàn)

高級(jí)SIMDv1帶半精度擴(kuò)展：實(shí)現(xiàn)了半精度擴(kuò)展

高級(jí)SIMDv2：同時(shí)實(shí)現(xiàn)了半精度和Fused Multiply-Ad擴(kuò)展

而NEON半精度和Fused Multiply-Ad擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)情況與VFP部件是相關(guān)的。

總結(jié)一下VFP和NEON的特點(diǎn)：

1.VFPv3/VFPv4分為根據(jù)寄存器情況分為D16和D32兩個(gè)版本，D16的雙精度（64位）寄存器只有16個(gè)。

2.D16版本的VFP不能和NEON部件共存。

3.NEON部件單獨(dú)存在時(shí)只能進(jìn)行整點(diǎn)運(yùn)算

4.實(shí)現(xiàn)了半精度擴(kuò)展的VFPv3稱為FP16版本，如果連Fused Multiply-Ad擴(kuò)展也實(shí)現(xiàn)了，就是VFPv4了。

除了上面所說(shuō)的，ARMv7處理器還有很多特性。由于我了解的不多，就不多說(shuō)了