ARM的A/R/M設(shè)計(jì)目標(biāo)：適合的處理器來執(zhí)行對應(yīng)的任務(wù)

摘要：ARM認(rèn)為應(yīng)該使用適合的處理器來執(zhí)行對應(yīng)的任務(wù)。本文介紹了每個(gè)不同的處理器如何體現(xiàn)這一設(shè)計(jì)理念。

　　ARM處理器現(xiàn)在分成了三個(gè)系列(如圖1)，從家族來講是A系列、R系列和M系列。A系列主要是面向應(yīng)用的處理器，R面向?qū)崟r(shí)性處理器，M主要是面向微控制器。在ARM的架構(gòu)里，每個(gè)系列都有獨(dú)特的特征。針對這些獨(dú)特的特征，每個(gè)系列里都推出了獨(dú)特的處理器。

　　ARM現(xiàn)有的這些架構(gòu)現(xiàn)在都有ARMv8架構(gòu)了(圖1)。針對ARMv8-A，公司在2013年已經(jīng)推出了Cortex-A57和Cortex-A53。公司也在不斷地?cái)U(kuò)展ARMv8-A指令架構(gòu)，推出了ARMv8.1和ARMv8.2。ARMv8.1我們有Far Atomics，NEON指令，以及對于虛擬化的增強(qiáng)。而ARMv8.2支持半精度浮點(diǎn)(Half Precision Floating point)以及針對一些服務(wù)器的RAS 特征。

　　ARM在兩年前(2014年)發(fā)布了ARMv8-R架構(gòu)，增加了實(shí)時(shí)的虛擬化，還有增強(qiáng)的AArch32 ISA，以及可選的虛擬內(nèi)存系統(tǒng)。同時(shí)，ARM也推出了ARMv8-M指令集，并有相應(yīng)的處理器。

　　每個(gè)系列都有獨(dú)特的功能以及特性(圖2)。Cortex-A支持Linux/Rich OS, 32位/64位的ARM指令集，在軟件上支持軟件中斷管理。在存儲方面，支持多級緩存。在安全性方面，提供ASIL B級的支持。

　　對Cortex-R目前有支持MMU的，所以它也可以支持Rich OS。同樣我們也可以選擇支持MPU的操作系統(tǒng)，在Cortex-R上我們只有32位ARM指令集和Thumb指令集，這主要是專門針對嵌入式市場做的優(yōu)化。在終端，ARM有專門的軟件管理，還有一個(gè)Cache和TCM以及安全性方面支持ASIL D。

　　Cortex-M系列主要針對超低功耗以及最小面積進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以目前我們是支持實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)RTOS，目前支持32位Thumb的指令集。在終端這方面支持硬件中斷管理，終端處理的速度可以是非?？斓?。在Cache和TCM這方面一般是用Cortex-M7來進(jìn)行支持，在安全性方面，我們支持到 ASIL-D。

　　不同的處理器可處理不同的應(yīng)用(圖3)。例如，在可穿戴方面，主要用Cortex-A和Cortex-M。存儲方面是Cortex-R和Cortex-M。在ADAS方面有Cortex-A和Cortex-R，由于ADAS對安全性要求特別高，所以針對Cortex-R，ARM做了特別的優(yōu)化，提供了一些function package(功能包)。在ADAS這邊，還有一些高性能的，可以用Cortex-A進(jìn)行處理。在移動(dòng)消費(fèi)市場，Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M都有應(yīng)用，A來做應(yīng)用處理器，R主要是做基帶，Cortex-M可能會用于sensor hub(傳感器中樞)的芯片領(lǐng)域。

　　接下來將分別介紹這幾大系列的處理器及一些熱門話題。

Cortex-A關(guān)注應(yīng)用

　　Cortex-A架構(gòu)里有非常豐富的指令集架構(gòu)，包含整數(shù)的指令集架構(gòu)以及浮點(diǎn)運(yùn)算的指令集架構(gòu)。可以支持到SIMD多數(shù)據(jù)的運(yùn)算，在NEON單元里面提供支持。

　　Cortex-A里有AArch32的指令集，主要是向后兼容ARMv7-A架構(gòu)。

　　在ARMv8-A里面，AArch64是2011年推出的，由ARM64位架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)時(shí)是有Cortex-A57以及Cortex-A53。這樣的指令集使訪問地址大大增加了，超過了4GB的內(nèi)存訪問空間，也有更多的存儲器可以讓我們的編輯器進(jìn)行使用。我們針對指令集也是專門進(jìn)行了優(yōu)化，主要是面向功耗效率這方面。

　　在微架構(gòu)上，我們可以有多種實(shí)現(xiàn)?？梢詫?shí)現(xiàn)超高能效比的處理器，適用于可穿戴市場，也可以實(shí)現(xiàn)非常高性能的處理器，實(shí)現(xiàn)亂序，達(dá)到幾GHz。這樣的處理器可以應(yīng)用在很高性能的市場，比如服務(wù)器市場。所有這些處理器都可以支持內(nèi)存一致性的系統(tǒng)，這樣我們可以從multi-Cluster的設(shè)計(jì)里面通過內(nèi)存一致性讓系統(tǒng)來進(jìn)行支持。

　　以Cortex-A35為例(圖4)，Cortex-A35是Cortex-A系列里面向超低功耗、可穿戴市場，以及中低端手機(jī)移動(dòng)市場的處理器。它的設(shè)計(jì)相對比較簡單，指令集都做得相對面向能效優(yōu)化方向，它主要是按需完成主要的流水線。在這樣一個(gè)處理器里，也是做成多核處理器的。Cortex-A35在總線方面可以支持AMBA4 ACE總線，也可以支持最新的AMBA5 CHI總線。這樣就可以在一個(gè)Cluster里面最多實(shí)現(xiàn)4個(gè)核，也可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)Cluster。

　　ARM最近也發(fā)布了Cortex-A73處理器。它和以前的指令集完全兼容，也和Cortex-A53和Cortex-A35做了很好的配合。Cortex-A73在架構(gòu)上是做了很大的提升，它可以進(jìn)行亂序執(zhí)行的，也是完全可以跟Cortex-A35完全兼容。

　　在總線上，Cortex-A73也是支持128-bit的AMBA4 AXI4的總線，在Cache配置方面，可以支持不同的配置。

Cortex-A73的熱門話題

　　*Cortex-A73相比Cortex-A72，性能方面有很大提升。那么Cortex-A72設(shè)計(jì)成二路是基于什么樣的考慮?

　　其實(shí)從Cortex-A72學(xué)習(xí)它的架構(gòu)，去做了優(yōu)化，從三路到兩路，實(shí)現(xiàn)了上文提到的內(nèi)存系統(tǒng)上的優(yōu)化，在跳轉(zhuǎn)預(yù)測上的優(yōu)化，各種這方面的優(yōu)化使得我們能夠把Cortex-A72從三路瘦身到兩路，同時(shí)提升它的功效性能。

　　設(shè)計(jì)成三路主要是為了性能，因?yàn)槿菲鋵?shí)是很強(qiáng)大的，當(dāng)時(shí)Cortex-A72也是性能最好的。ARM當(dāng)初設(shè)計(jì)Cortex-A72的時(shí)候，就是為了大幅度提升它的性能，我們也可以看到相較以前有很大的性能提升。但是設(shè)計(jì)Cortex-A73的時(shí)候，提升性能不是主要目的，不過我們還是看到它相較Cortex-A72在性能上還是有提升的，但是更主要的是集中提升它的功耗的效率，所以我們能夠?qū)λM(jìn)行瘦身。

　　* Cortex-A73是10nm，Cortex-A72是16nm，性能提升了30%，功耗降低了30%。這個(gè)30%的提升中是不是10%~15%是因?yàn)榧軜?gòu)的提升，還有20%左右是來自于工藝的提升?

　　其實(shí)，在同樣16nm工藝情況下的比較，在功耗效率方面，Cortex-A73相較Cortex-A72能夠提升20%。10nm工藝的Cortex-A73相較16nm工藝的Cortex-A72有30%的提升，所以其中工藝的提升是10%，架構(gòu)是20%。

　　在性能方面，從微架構(gòu)上講，我們提升了10%，但是我們?yōu)槭裁凑f提升了30%?因?yàn)樵诳沙掷m(xù)的峰值性能上，在有限的功耗和散熱的約束條件下，我們可以提升得更多，因?yàn)樗哪芎男蕰?，所以額外提高了20%。

　　* 從16nm到10nm，更多的是面積上的節(jié)省，以及性能上的提升?

　　但是每家在設(shè)計(jì)的頻率上也是不太一樣的。舉個(gè)例子，像海思Kirin做到2.3~2.5MHz，其他家在做Cortex-A73的時(shí)候也會有不同的設(shè)計(jì)，所以說整個(gè)性能的提升和客戶做的性能、頻率可能都不太一樣。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第7期第30頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。