ARM平台处理器简介

 

http://news.eeworld.com.cn/mcu/article_2016061727084.html

arm架构

Architecture	Family
ARMv1	ARM1
ARMv2	ARM2,ARM3
ARMv3	ARM6,ARM7
ARMv4	StrongARM,ARM7TDMI,ARM9TDMI
ARMv5	ARM7EJ,ARM9E,ARM10E,XScale
ARMv6	ARM11, Cortex-M
ARMv7	Cortex-A,Cortex-M,Cortex-R
ARMv8	ARMv8架构ARMCortex-A50处理器系列产品

 

Cortex-A系列核心

内核	Cortex-A5	Cortex-A7	Cortex-A8	Cortex-A9	Cortex-A15	Cortex-A17
发布时间	2009年12月	2011年10月	2006年7月	2008年3月	2011年4月	2014年2月
时钟频率	~1GHz	~1.5GHz on 28nm	~1GHz on 65nm	~2GHz on 40nm	~2.5GHz on 28nm	2GHz+ on 28nm
执行顺序	顺序	顺序	顺序	乱序	乱序	乱序
多核支持	1 ~ 4	1 ~ 4	1 (只单核)	1 ~ 4	1 ~ 4	1 ~ 4
运算性能	1.57 DMIPS/MHz	1.9 DMIPS/MHz	2 DMIPS/MHz	2.5 DMIPS/MHz	3.5 DMIPS/MHz	4.5 DMIPS/MHz
VFP/NEON支持	VFPv4/NEON	VFPv4/NEON	VFPv3/NEON	VFPv3/NEON	VFPv4/NEON	VFPv4/NEON
GPU	Mali-400	Mali-400	Mali-400	Mali-T624	Mali-T600	Mali-T720 Mali-V500 Mali-DP500
16位半精度	是	是	否	是	是	是
FP/NEON 寄存器重命名	否	否	否	否	是	是
GP寄存器重命名	否	否	否	是	是	是
硬件除法器	否	是	否	否	是	是
40位物理地址LPAE	No	Yes	No	No	yes	yes
硬件虚拟化	No	Yes	No	No	Yes	yes
big.LITTLE	No	LITTLE	No	No	Big	Big
融合的MAC乘累加	是	是	否	否	是	是
流水线级数	8	8	13	9 ~ 12	15+	11+
指令译码	1	Partial dual issue	2 (dual-issue)	2 (dual-issue)	3	3
返回堆栈stack条目	4	8	8	8	48	48
浮点运算单元FPU	可选	可选	Yes	可选	可选	可选
AMBA总线宽度	64-bit I/FAMBA 3	128-bit I/FAMBA 4	64 or 128-bit I/FAMBA 3	2× 64-bit I/FAMBA 3	128-bit	128-bit

*A15的流水线前12级是in-order的，后面则是out-of-order的多种流水线，级数从3到12不等。A7类似，NEON部件的流水线是10级，整点则是8级。

现在来分析一下各个核心的参数。首先是Cortex-A后面的编号，大体上，这个编号代表该核心的性能，或者说在ARM产品线中的位置。比如A5面向低端应用，编号最小；A15是目前ARMv7性能中性能最高的核心；A7虽然发布晚于A8，而且规格接近，但由于限制了双发带宽，其性能预期是低于A8的。总的来看，A5的定位最低端，取代ARMv7之前的产品；A15最高端，A7性能低于A8，但更加节能，成本也更低；A8/A9则可能被取代，不过目前仍然是主流；A15则是目前为止ARM处理器中规格最高的了。

 

再看一下较新的核心中几个重要的特性。A7和A15支持硬件虚拟化，以A7的定位来说硬件虚拟化的支持似乎没有太多用武之地，不过对于A15来说则表明A15可能用于传说中的ARM服务器（不过算算时间似乎也没有太多A15发挥的余地，毕竟64位的ARMv8更适合用于服务器）。大物理地址扩展（LPAE）和x86上的PAE相似，允许32位的ARM处理器最大寻址2^40bit的内存（1TB）。这又是一个表明A15可用于服务器的迹象，毕竟4G的寻址空间对现在的服务器来说完全不够用啊。

 

浮点和高级SIMD部件

ARMv7开始使用VFPv3版本的浮点部件，而ARMv7中更新的核心则使用了VFPv4（ 见前面表格）。VFPv2则用于ARMv7之前的核心，现在还有一部分低端手机使用这种处理器；而使用VFPv1浮点部件的核心已经基本淘汰掉了。ARM的高级SIMD部件称为NEON，从ARMv7开始出现

ARM浮点部件的一个问题是对很多核心来说是可选的，一些处理器并没有浮点部件。不仅如此，尽管ARMv7的处理器基本都实现了浮点部件，但浮点部件也有多个可选实现，再加上NEON部件也是可选的，最后导致市面上的ARM处理器对浮点/SIMD的支持并不一致。下表列出了主要的VFPv3实现的版本（VPFv4的资料需要补充）：

版本	寄存器	其他特性
VFPv3(-D32)	32个64位寄存器，32个32位寄存器
VFPv3-FP16	同上	半精度扩展（FP16的含义）
VFPv4(-D32)	同上	VFPv4总是实现半精度扩展和Fused Multiply-Add 扩展
VFPv3-D16	16个64位寄存器，32个32位寄存器
VFPv3-D16-FP16	同上	半精度扩展
VFPv4-D16	同上	同VFPv4

上表中所说的32位寄存器和64位寄存器并不是独立的，前16个64位寄存器每个可以视为2个32位寄存器，同时，两个64位寄存器可以视为一个128位寄存器。下图来自ARM官方文档，展示了32位寄存器和64位寄存器的关系：

对于VFPv3-D16、VFPv3-D16-FP16和VFPv4-D16来说，上图中的D16~D31是不存在的。除了上表中的版本，VFPv3还有单精度版本，只实现了单精度浮点数的运算指令，gcc中称这种版本的VFPv为“vfpv3xd”，相应的，还有vfpv3xd-fp16。不过这种实现的ARM处理比较少见。

NEON部件和浮点部件关系密切，在两者同时存在时，使用的是同一套寄存器。不过，NEON的寄存器数目是固定的，和VFPv3/VFPv-FP16/VFPv4相同。这意味着，NEON不能和VFPv3-D16/VFPv3-D16-FP16这种寄存器阉割版共存。当没有浮点部件时，NEON部件只能进行整点运算。下表是NEON和VFP部件可能的组合：

NEON部件	VFP部件	说明
仅整型	未实现
整型和单精度浮点	单精度浮点
整型和单精度浮点	单精度和双精度浮点
未实现	单精度浮点
未实现	单精度和双精度浮点

从上面这个表可以看出，即使VFP部件实现了双精度运算的功能，NEON部件也只能进行单精度运算。不止如此，gcc的手册之处，NEON的浮点运算不完全符合IEEE 754标准，在某些情况下会损失精度，因此即使使用了自动向量化的选项，浮点运算的向量化默认也是关闭的。

依据半精度和Fused Multiply-Ad扩展的实现情况，NEON部件可以分为3种版本：

高级SIMDv1：两者均未实现

高级SIMDv1带半精度扩展：实现了半精度扩展

高级SIMDv2：同时实现了半精度和Fused Multiply-Ad扩展

而NEON半精度和Fused Multiply-Ad扩展的实现情况与VFP部件是相关的。

总结一下VFP和NEON的特点：

1.VFPv3/VFPv4分为根据寄存器情况分为D16和D32两个版本，D16的双精度（64位）寄存器只有16个。

2.D16版本的VFP不能和NEON部件共存。

3.NEON部件单独存在时只能进行整点运算

4.实现了半精度扩展的VFPv3称为FP16版本，如果连Fused Multiply-Ad扩展也实现了，就是VFPv4了。

 

除了上面所说的，ARMv7处理器还有很多特性。由于我了解的不多，就不多说了