ARM架构之Cortex-A55简介

Arm Cortex-A55: high efficiency, sustained performance - Architectures and Processors blog - Arm Community blogs - Arm CommunityUsers of ARM processors can be all over the planet, and now they have a place to come together. The processors community is the place to be all things processor-related.https://community.arm.com/arm-community-blogs/b/architectures-and-processors-blog/posts/arm-cortex-a55-efficient-performance-from-edge-to-cloud

ARM Cortex-A75 和 Cortex-A55，是首批基于新近发布的 DynamIQ 技术的 Cortex-A 系列处理器。本文我们讨论的就是 Cortex-A55：一款对为未来数字世界举足轻重的处理器，原因如下。

目录

1，A53的升级产品

2，基于ARMv8.2 架构

3，扩展多样化，Scalable from the edge to the cloud and everything in between

4，囊括诸多先进特性，可用于各类新兴应用，Packed with advanced features for a diversity of emerging applications

5，深度嵌入高级电源管理特性，Advanced power management deeply embedded

6，big.LITTLE处理的新时代

7，相关文章

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1，A53的升级产品

ARM Cortex-A75 和 Cortex-A55 是首批问世的 DynamIQ 处理器。

想要理解 Cortex-A55 的真正潜力，我们来简要回顾一下其上一代产品：ARM Cortex-A53。采用这款 CPU 的设备已超过 15亿台，该 CPU 依然是当今业界出货量最高的 64 位 Cortex-A 系列 CPU。Cortex-A53 于 2012 年发布，其独一无二的设计，集性能、低功耗以及尺寸扩展性于一身，具备一系列多用途特性，因而可应用于诸多市场，其中包括高端智能手机、网络基础设施、汽车信息娱乐、高级驾驶员辅助系统 (ADAS)、数字电视、入门级移动设备和消费级设备乃至人造卫星。

2，基于ARMv8.2 架构

Cortex-A55 支持ARMv8.1，并采用最新的 ARMv8.2 架构，并在其前代产品的基础上打造而成。它在性能方面突破了极限，同时依旧保持了与 Cortex-A53 相同的功耗水平。我们尽全力改进 Cortex-A53，并赋予其以下特性：

• 在相同的频率与工艺条件下，内存性能最高可达 Cortex-A53 的两倍
• 在相同的频率与工艺条件下，效能比 Cortex-A53 高 15%
• 扩展性比 Cortex-A53 高十倍以上

这些归功于我们专注于 Cortex-A53 现有的设计理念并挑战这些理念。

• 我们对分支预测程序（branch predictor)进行了全面修改，在其算法中融入了神经网络元素（neural network elements）来改进预测。此外还新增了零周期分支预测程序（Zero-cycle branch predictor）以便进一步减少流水线中的泡沫。这样可以使指令之间的空闲时间越来越短。

• private Level 2 (L2) cache，使二级高速缓存对每一颗 CPU 而言都是专用 private缓存，这样一来与 Cortex-A53 相比，二级高速缓存的存取时间缩短了 50% 以上。我们还将二级高速缓存的工作频率设计成与 CPU 相同的频率。通过降低延迟大幅提升 CPU 在各类基准测试工具中的性能。

• 我们推出了三级高速缓存，可供集群（cluster）内的所有 Cortex-A55 CPU 共享。这让 DynamIQ 集群能够得益于 CPU 附近增多的内存容量（enhanced memory capacity），从而提升性能、降低系统功率。三级高速缓存是 DynamIQ 共享单元 (DynamIQ Shared Unit ，DSU) 的一部分，DSU 是 DynamIQ 处理器中的一个新的功能单元。

• 8 位整数矩阵乘法对神经网络性能的影响超过85%。Cortex-A55 NEON 流水线中增添了新的架构指令，使其能够在每个周期执行 16 次 8 位整数运算。这些新的指令还使该 CPU 能够在每个周期执行 8 次 16 位浮点运算、对两条 MAC 指令进行舍入操作，有利于色彩空间转换。

相较Cortex-A53，实现效能的大幅提升 ：

 

在功率和热效率方面继续保持领先

对分支预测程序、NEON 和 FP 单元的上述改进以及内存延迟的缩短仅仅是 Cortex-A55 取得大幅性能提升的部分原因。

Cortex-A55 不但实现了大幅性能提升，而且保持了与 Cortex-A53 相类似的功耗。：

• Cortex-A55 在节能性方面实现了 15% 的提升。

相对于性能而言，功率在产品设计中更加重要：

• 在提供同等性能的情况下，Cortex-A55 消耗的功率比 Cortex-A53 低 30% 之多！

Cortex-A55 提供持续性能的时间远比当今的 Cortex-A53 解决方案更长。这一点对于 AR、VR 以及 MR 等领域的用户体验而言至关重要，这些领域预计将会在未来移动市场上占据主导地位。这些使用场合已经高度线程化，对延迟有严格的要求。后者指的是移动时间延迟，根据行业研究，这种延迟需要保持在 20 毫秒或以下，这样才不会导致恶心和头晕。虽然当今的 CPU 已经实现了达到 20 毫秒延迟所需的性能水平，但是发热限制意味着这些 CPU 无法长时间维持这样的性能水平。有了 Cortex-A55，我们就能给出未来 VR 设备中延长持续性能时间的解决方案。

高级特性和更高的性能可满足基础设施市场的需求

行业领先的效率让 Cortex-A55 在基础设施市场卓尔不群。以太网供电 (Power over Ethernet，PoE) 无线接入点以及安装在后视镜上的发热受限的汽车解决方案等应用均可利用热效率极高的 Cortex-A55 在特定的发热范围内提供最高性能。在 5G 远程无线电头端 (remote radio head，RRH)，Cortex-A55 CPU 还能够在特定功率范围内最大限度增加网络吞吐量。

 

3，扩展多样化，Scalable from the edge to the cloud and everything in between

合适的尺寸和计算性能可满足各类需求

除了性能与效率以外，Cortex-A55 的物理芯片尺寸以及计算性能也具有极高的扩展性。为此，它包含了多个 RTL 配置选项，从而使可配置容量达到了 Cortex-A53 的十倍。事实上，它拥有 3,000 多种独特的配置，因而成为了史上最具扩展性的 Cortex-A CPU。

• 可选的L2和L3缓存
• 可选的NEON/FPU加速
• 可选的asynchronous bridges
• 可选的Crypto
• 每个cluster支持1到8个CPU
• 缓存大小可配

Cortex-A55 延续了 Cortex-A53 的灵活性，具备 NEON、Crypto 以及 ECC (Error Correct Codes，纠错码) 等选项，但是也采用了新的实用配置选项。例如，专用二级高速缓存的可配置容量从 64KB 到 256KB 不等，可带来 10% 的性能提升。专用二级高速缓存（private-L2 caches）能够很好地提升性能，而且它无疑会成为诸多市场的默认之选，它还被设计成了可选项（optional），以便在物联网等对尺寸敏感的市场上进一步减小芯片尺寸。

DynamIQ 共享单元 (DSU) 中新特性详解

DSU 无论在 Cortex-A55 还是在 Cortex-A75 上都很常见。它包含更多的配置选项，可根据用户自身的应用情况进行定制。例如 CPU 之间共享的三级高速缓存可从 0KB 扩展至最大 4MB。它还通过 AMBA 5 ACE 或 CHI 支持多用途接口选项，从而可用于更广泛的系统。加速器相干性端口 (Accelerator Coherency Port ，ACP) 和低延迟外围端口 (peripheral port，PP) 也被集成到 DSU 当中，这让紧密耦合的加速器能够连接至 Cortex-A55 以便处理通用计算。这些特性加上 Cortex-A55 的机器学习功能，让更多的计算能够在更靠近物联网网关应用“端”的地方执行。

4，囊括诸多先进特性，可用于各类新兴应用，Packed with advanced features for a diversity of emerging applications

加速各个领域中的人工智能应用

人工智能会越来越普及，这已不是什么新鲜事。引申开来，我们的设备运行机器学习任务也会变得十分普遍。有多种方法可以在芯片上实现机器学习的处理，然而 CPU 在这方面拥有独特的优势。CPU 可进行通用计算，因此它可以运行到人工智能应用的芯片当中。目前机器学习和人工智能持续换代，固定功能的硬件不但价格昂贵，而且对机器学习而言容易过时。

对 Cortex-A55 NEON 流水线的改进和新增的机器学习指令意味着 Cortex-A55 在矩阵乘法运算方面的机器学习性能比Cortex A53要高出很多。最近发布的 ARM 计算库（ARM Compute Libraries）是专为 ARM Cortex-A NEON 和 Mali GPU IP 而优化的入门级软件函数集，它也可以应用于 Cortex-A55 NEON 并进一步提升其机器学习性能！

Cortex-A55 可打造更安全的自主系统

Cortex-A55的可靠性、可用性和可服务性 (Reliability, Availability, and Serviceability ，RAS) 特性也很高，这些特性使其能够服务于基础设施以及汽车等各个领域。对汽车市场而言，Cortex-A55 的安全性现已得到提升。它在每一级高速缓存上均提供可选的 ECC 和奇偶校验特性，而且还支持“data poisoning”，这种方法可推迟已检测到的、不可纠正的错误，适用于更有弹性的系统。它还是首款在避免系统故障方面采用全新设计流程的 Cortex-A 系列 CPU，因而在搭配 Cortex-R52 的情况下十分适合 ASIL D 应用。

5，深度嵌入高级电源管理特性，Advanced power management deeply embedded

高级电源管理特性可提升节能性

Cortex-A55 具备诸多全新的电源特性，例如硬件控制状态转换能够更快地从 ON 转换至 OFF。Cortex-A55 还能够根据当前运行的应用程序自主地关闭三级高速缓存。对于 VR 等需要更多内存的重载型应用程序，三级高速缓存会完全打开。然而对于音乐播放等完全驻留在一级和二级高速缓存中的轻载型应用程序而言，三级高速缓存会被关闭。额外还有两种功率模式用于重载和轻载之间的应用情形。

现在还可以创建单颗 CPU 或 CPU 群组，其中每一颗 CPU 都处于集群内各自独立的电压域中，因此能够更精细地动态提升电压和频率。这有两大好处：首先，它让设计师能够进一步调节系统，从而实现最佳的性能和节能性。其次，这还意味着 DynamIQ 系统能够更轻松地紧密匹配设备多变的发热限制，因此可以最大限度发挥性能。

6，big.LITTLE处理的新时代

big.LITTLE 技术自 2011 年问世以来一直是异构处理的代名词。因此当今市面上每三台安卓 ARMv8 设备中就有两台依赖 big.LITTLE 技术来实现功率和性能优化。DynamIQ big.LITTLE 是 DynamIQ 系统的新一代异构计算技术。

它让设计师能够利用 Cortex-A75 “大” CPU 和 Cortex-A55 “小” CPU 打造出充分集成的解决方案，大小 CPU 在物理上位于单一 CPU 集群中。所有的软件线程迁移（ All software thread migrations）How to develop software for Cortex-A55 and Cortex-A75 - Tools, Software and IDEs blog - Arm Community blogs - Arm CommunityThe ARM tools range offers two software development families that provide you with all the necessary tools for every stage of your software development workflow.https://community.arm.com/tools/b/blog/posts/how-to-start-developing-software-for-arm-cortex-a55-and-cortex-a75-processors-today和由此造成的大小 CPU 之间的高速缓存窥探(cache snoop)现在均发生在该集群内。与 Cortex-A73 相比，Cortex-A75 CPU 可以用于频率更高的使用场合，同时利用Cortex-A55 依旧保持持续的 DVFS 曲线。这是 big.LITTLE 系统的一项重要设计要求。这些特性合在一起，与上一代 big.LITTLE 技术相比，可大幅提升峰值性能、持续性能以及智能功能。

DynamIQ big.LITTLE 可带来更丰富的用户体验

当今的中端移动和消费级市场普遍采用基于 Cortex-A53 的 4 核和 8 核解决方案。然而，随着人工智能和虚拟现实等高级使用场合从高端市场渗透到中端市场，厂商需要以更低的成本提供更高的性能和智能功能。DynamIQ big.LITTLE 通过推出新的异构 CPU 配置来满足这一需求，例如 1 颗 Cortex-A75 + 3 颗 Cortex-A55 (1大+3小) 和 1 颗 Cortex-A75 + 7 颗 Cortex-A55 (1大+7小) 等等。这些新的配置以类似的芯片尺寸可分别与 4 核和 8 核的 Cortex-A55 设计相比，可以实现 2 倍以上的单线程性能。

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