Cortex-A15架構(gòu)解析：探索強(qiáng)勁性能的秘密(一)

今年的新手機(jī)趨勢無異是全面向四核靠攏，不過同樣是四核，在實際的性能上其實是千差萬別。例如針對入門級主流市場的四核手機(jī)普遍采用的都是Cortex-A7以及 Cortex-A9 級別的CPU內(nèi)核，這類內(nèi)核性能、成本以及發(fā)熱都會較低，因此在入門市場上大行其道。

　　而在高端智能手機(jī)中則出現(xiàn)了一些新的變化，除了去年就已經(jīng)嶄露頭角的高通Krait系列架構(gòu)四核外，ARM正統(tǒng)的Cortex-A15也開始走上了四核手機(jī)的舞臺，例如三星的Exynos 5 Octa、NVIDIA 的Tegra 4。

　　Cortex-A15是ARM Cortex-A家族中目前最強(qiáng)勁的CPU內(nèi)核架構(gòu)，發(fā)布時間為2010年，德州儀器是最早（2011年）投產(chǎn)基于該架構(gòu)處理器（型號為OMAP 5）的授權(quán)廠商。

　　和ARM的Cortex-A7、Cortex-A9等微架構(gòu)相比，Cortex-A15有很大的不同。

　　A15和A9同樣具備亂序執(zhí)行，但是Cortex-A15具備（兩倍）的指令發(fā)射端口和執(zhí)行資源，指令解碼能力也要高出50%，動態(tài)分支預(yù)測能力更強(qiáng)（采用了多層級分支表緩存），指令拾取帶寬更強(qiáng)（128 bit vs 64 bit），這些都能讓A15的流水線執(zhí)行具備更高的效率。除此以外，A15采用了VFPv4浮點單元設(shè)計，能執(zhí)行FMA指令以及硬件除法指令，相較而言A9的峰值向量浮點性能基本上只有A15的一半。

　　不過在現(xiàn)實中，A15 的對手應(yīng)該是高通自行設(shè)計的 ARMv7A 兼容處理器架構(gòu) Krait。高通對 Krait 的架構(gòu)細(xì)節(jié)透露并不是很多，大致上就是 3 個指令解碼端口（和 A15 一樣）、7個指令發(fā)射端口（A15 是8個）、4個發(fā)射端口（A15 是8個），具備4KB+4KB的單周期時延L0 Cache設(shè)計。

　　如果采用老掉牙的Dhrystone DMIPS/MHz作為性能衡量指標(biāo)，Krait 是3.3，A9 是2.5，而A15則是3.5，從紙面上看Krait的確非常適合作為A15的對手。

　　不過Dhrystone的缺點是顯而易見，它是完全可以塞進(jìn)CPU的L1 cache里執(zhí)行，這就意味著無法以此對L2 cache（A15是一體化設(shè)計，Krait是分離式設(shè)計，一體化設(shè)計可以減少內(nèi)存交換導(dǎo)致的大量時延）、亂序執(zhí)行的硬件效率/復(fù)雜性、內(nèi)存子系統(tǒng)單元（A15的內(nèi)存單元可以實現(xiàn)在一定條件下預(yù)執(zhí)行一條加載指令，而Krait能否具備這樣的能力尚不清楚）等諸多體系架構(gòu)區(qū)別對實際性能的影響作出有價值評估。

　　當(dāng)然，ARM采用的DMIPS指標(biāo)實際上并非28年前的那個Dhrystone，而是來自EEBMC Coremark（其實 Coremark 就是前者的改善版本，主要是為了減少預(yù)優(yōu)化、對測試有比較嚴(yán)格的規(guī)則），但是CoreMark同樣可以塞進(jìn)現(xiàn)今大多數(shù)處理器的L1 cache里，Dhrystone不能反映現(xiàn)今移動設(shè)備真實應(yīng)用的問題在這里依然存在。

　　由于應(yīng)用環(huán)境日趨復(fù)雜，要正確評估一個移動設(shè)備處理器的性能變得越來越復(fù)雜，因為現(xiàn)在的移動設(shè)備跑的網(wǎng)頁瀏覽、三維游戲、音視頻、人工智能等都不可能可以完全塞進(jìn)L1 Cache里，因為這些應(yīng)用牽涉到大量的數(shù)據(jù)處理。

　　這時候，人們在臺式機(jī)性能評估上學(xué)到的經(jīng)驗和測試辦法就可以在移動設(shè)備上采用了。對CPU測試來說，最合理的測試方式是采用多種計算規(guī)模的真實應(yīng)用源代碼以本機(jī)代碼進(jìn)行編譯再進(jìn)行測試，在這樣的情況下移動設(shè)備的計算單元、內(nèi)存單元都得以充分考驗，測試結(jié)果最具參考價值。

　　能夠獲得業(yè)界（計算機(jī)工業(yè)、學(xué)術(shù)科研）官方認(rèn)可的CPU測試當(dāng)屬SPEC.org的SPEC CPU，它就是采用源代碼方式，讓測試人員可以編譯為本機(jī)代碼來測試，許多處理器在研發(fā)伊始就采用SPEC CPU作為最重要的性能評估指標(biāo)。

　　SPEC CPU的最新版本為CPU2006，但是CPU2006針對的是當(dāng)前的臺式機(jī)、工作站、服務(wù)器處理器應(yīng)用環(huán)境，內(nèi)存容量（CPU2006 支持多線程測試，因此要求的內(nèi)存容量相當(dāng)高，8線程處理器用16 GB內(nèi)存也是有點勉強(qiáng)）和自身存儲空間（未編譯時就要數(shù)GB空間，編譯后就要占用1xGB了）要求都較高，因此采用CPU2006對目前的移動設(shè)備來說是不太現(xiàn)實的。

　　SPEC CPU是每隔幾年就更新一次，在CPU2006之前