ARM big.LITTLE系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

　　圖5的性能測評(píng)是由Cortex-A15與Cortex-A7中央處理器集群各自獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)。測試芯片的Cortex-A15最高頻率達(dá)1.2GHz，Cortex-A7則為1GHz。性能測評(píng)結(jié)果顯示，雖然測試芯片上的內(nèi)存系統(tǒng)，其性能不如big.LITTLE 系統(tǒng)級(jí)芯片量產(chǎn)后的預(yù)測水平，Cortex-A15與Cortex-A7中央處理器的性能仍落在預(yù)期范圍內(nèi)。根據(jù)各個(gè)核心獨(dú)立運(yùn)轉(zhuǎn)所得結(jié)果，我們對(duì)平臺(tái)測量big.LITTLE性能的準(zhǔn)確度深具信心。測試芯片平臺(tái)軟件包含基本的Linux核心，還采用了中央處理器轉(zhuǎn)移軟件與big.LITTLE MP修正程序組，以測試中央處理器轉(zhuǎn)移或big.LITTLE MP模式。

　　而用來測試big.LITTLE性能的任務(wù)量，主要基于Android Cream Sandwich系統(tǒng)，通過網(wǎng)頁進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)瀏覽器性能循環(huán)，背景則有音效播放。在這個(gè)使用實(shí)例中，是以相當(dāng)密集的工作量搭配對(duì)性能需求不高的背景活動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)瀏覽器每2秒便進(jìn)行網(wǎng)頁循環(huán)，每頁卷動(dòng)達(dá)500像素，因此對(duì)系統(tǒng)性能需求相對(duì)較高。為了在進(jìn)行性能測試的同時(shí)測量性能與能耗，首先必須建立性能與能耗的基線。而這個(gè)基線則搭配獨(dú)立運(yùn)作的Cortex-A15集群進(jìn)行測量。

　　值得一提的是，這組結(jié)論屬于較早期的測試結(jié)果;用來測試的第一版big.LITTLE MP修正程序組，將Linux排程程序從一個(gè)完整而平衡的排程模式調(diào)整成big.LITTLE模式。我們預(yù)期軟件修正后性能與能耗將會(huì)改善，也會(huì)尋找其他可調(diào)校的元素。另外 ，測試芯片缺少繪圖處理器;這將使得中央處理器的負(fù)載高于搭載繪圖處理器的系統(tǒng)在卸除狀態(tài)下的負(fù)載水平，而在中央處理器負(fù)載較低的狀況下，可能會(huì)較常使用LITTLE核心，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能目的。它包含一套基本的電壓及頻率操作點(diǎn)(DVFS)，但沒有對(duì)單處理器核心做獨(dú)立的電源開關(guān)設(shè)計(jì)，因此big.LITTLE系統(tǒng)單芯片量產(chǎn)后測試結(jié)果有望提升。舉例來說，后臺(tái)任務(wù)的性能便可節(jié)省超過70%的能耗。

　　如何選擇big.LITTLE軟件模式

　　各界最常見的疑問就是：“應(yīng)該選擇哪一種軟件模式?”目前主要是在中央處理器轉(zhuǎn)移與big.LITTLE MP之間選擇一種，而兩種方式各有優(yōu)劣勢。在中央處理器轉(zhuǎn)移方面，由于big以及LITTLE核心處于搭配成對(duì)的狀態(tài)，因此對(duì)稱式的拓?fù)淠茼槙尺\(yùn)作。而big及LITTLE核心數(shù)量不同的非對(duì)稱式拓?fù)鋭t需要額外運(yùn)作。由于Cortex-A7中央處理器核心體積較小，因此可使用4個(gè)LITTLE核心加上1到2個(gè)big核心，這種作法可能會(huì)具有吸引力。從正面的角度來看，中央處理器轉(zhuǎn)移讓電源及性能的調(diào)校更為容易，可重復(fù)利用既有的操作系統(tǒng)電源管理程序代碼，代表產(chǎn)品將有多年的研發(fā)及測試結(jié)果作為支持。加上不必調(diào)整核心的排程程序，范圍比執(zhí)行big.LITTLE MP模式更為簡化, 而軟件模式也正日趨成熟。整體而言，中央處理器轉(zhuǎn)移是一種極佳的解決方案，2013上半年后可望進(jìn)入量產(chǎn)，并持續(xù)為尚未完成big.LITTLE MP模式升級(jí)準(zhǔn)備的系統(tǒng)提供可行的轉(zhuǎn)移模式解決方案。

　　big.LITTLE MP具有多項(xiàng)技術(shù)上的優(yōu)勢，雖然技術(shù)尚未完全成熟，但目前正處于進(jìn)階研發(fā)階段，測試結(jié)果如本文所示相當(dāng)不錯(cuò)。由于支持非對(duì)稱式拓?fù)錇闃?biāo)準(zhǔn)配備，因此無需調(diào)整軟件，big.LITTLE MP技術(shù)便能利用系統(tǒng)中所有核心。它在性能與能耗方面優(yōu)點(diǎn)更多。舉例來說，它能同步利用所有核心以提升性能，或?qū)ig與LITTLE核心上的DVFS設(shè)定與排程程序設(shè)定調(diào)成不同狀態(tài)以節(jié)省更多能耗。因?yàn)樾枰黾诱{(diào)校的動(dòng)作，才能從big.LITTLE MP平臺(tái)獲取完整的性能及能耗優(yōu)勢，所以彈性提升仍有其代價(jià)。這與過去數(shù)年來由硅組件以及代工廠商將操作系統(tǒng)能源管理設(shè)定以及DVFS參數(shù)數(shù)據(jù)，并依據(jù)裝置需求轉(zhuǎn)化為移動(dòng)系統(tǒng)級(jí)芯片平臺(tái)的主流做法并無太大差異。big.LITTLE MP 模式將轉(zhuǎn)移模式延伸并納入新的參數(shù)數(shù)據(jù)，不僅更為節(jié)能，更能為經(jīng)過性能優(yōu)化的big核心增加系統(tǒng)響應(yīng)度。

　　big.LITTLE MP模式正快速成熟，雖然尚未成為主流技術(shù)，但目前這項(xiàng)技術(shù)已可接受合作伙伴整合，并有望在2013下半年打入上游。所幸支持big.LITTLE MP并不需要改變硬件，因此晶圓廠可能會(huì)部署具有中央處理器轉(zhuǎn)移的平臺(tái)，針對(duì)部署平臺(tái)進(jìn)行核心更新并升級(jí)至big.LITTLE MP模式，或建設(shè)現(xiàn)有的big.LITTLE平臺(tái)以便在2013年后半年直接取得big.LITTLE MP 軟件轉(zhuǎn)移模式。

　　雖然big.LITTLE MP模式尚未進(jìn)入量產(chǎn)，但如文中測試結(jié)果，我們可以看到相關(guān)軟件已開始運(yùn)作，并已開始在硅組件廠研發(fā)平臺(tái)端進(jìn)行測試。big.LITTLE MP軟件已用于我們的測試系統(tǒng)，目前正積極進(jìn)行軟件強(qiáng)化，并針對(duì)各種實(shí)際應(yīng)用將系統(tǒng)性能調(diào)校至最佳效果。

　　有部分的可調(diào)校因素已在應(yīng)用中，包括排程程序的負(fù)載平衡策略、上下移轉(zhuǎn)點(diǎn)以及線程優(yōu)先順序，ARM與芯片設(shè)計(jì)合作伙伴將持續(xù)就上述領(lǐng)域進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)校。

　　新一代big.LITTLE硬件

　　Cortex-A15與Cortex-A7核心代表第一代的big.LITTLE硬件。ARM已發(fā)布兩款具有big.LITTLE處理性能的新型中央處理器核心，即Cortex-A57以及Cortex-A53處理器。Cortex-A57處理器是經(jīng)過性能優(yōu)化的big核心，每頻率周期的性能可增加25%，頻率性能也更為提高，效率則略高于Cortex-A15處理器。Cortex-A53處理器為LITTLE核心，每頻率周期的性能可增加40%，能源效率則大約于Cortex-A7處理器相同。

　　這些新的處理器核心在架構(gòu)上都完全相同，并支持ARMv8架構(gòu)，因此能導(dǎo)入全新的NEON技術(shù)與浮點(diǎn)功能、加密加速并支持64位架構(gòu)。除了AMBA4 ACE，兩種核心也都支持新一代高速緩存一致總線架構(gòu)，且與現(xiàn)有的ARMv7中央處理器核心相同，能在AArch32模式下執(zhí)行既有程序代碼。支持64位及額外一般用途緩存器的應(yīng)用方式效率更高，且能耗增加不多。同時(shí)，微架構(gòu)也經(jīng)過強(qiáng)化，以增加各核心在每個(gè)指令頻率周期中的傳輸量。這些新款核心在經(jīng)過軟件細(xì)節(jié)升級(jí)并支持64位尋址模式后，將會(huì)與Cortex-A15以及Cortex-A7處理器一樣支持big.LITTLE技術(shù)。

　　結(jié)論

　　big.LITTLE系統(tǒng)為能耗及性能控制點(diǎn)的極度寬動(dòng)態(tài)(wide dynamic range)開啟了大門。這是僅由單一類型處理器組成的產(chǎn)品所無法達(dá)到的。目前市面上設(shè)備的工作量往往混雜了需求程度高低不同的線程，這種寬動(dòng)態(tài)便可為其提供完美的執(zhí)行環(huán)境。由于日后Cortex-A7將成為平臺(tái)主力，這一系統(tǒng)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)即能夠打造基于Cortex-A7的高度節(jié)能產(chǎn)品。