淺談64bit ARM CPU 指令集及架構

安可兒 2016-12-06

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《中無通訊》第67期文︰世界網絡 www.linkwan.com 林和安小洛夫

64bit CPU并不是甚么新的事物，服務器/工作站早已是64bit的天下，即使桌面計算機也紛紛升級64bit CPU及64bit操作系統,。作為移動設備市場的領導者,，ARM也決定在2014年推出64bit ARM CPU架構，實現智能手機,、平板計算機的一次性能飛躍,，又會為市場帶來多大的影響呢？

走向64bit的主因—支持更多內存

ARM架構一向以低功耗作主打,，為此不惜把CPU架構盡量作出精簡,，取消作用不大的單元。早期ARMv4指令為求低功耗,，沒有FP浮點,、復雜math指令及SIMD，十分簡陋,。隨后ARM陸續(xù)加上以上的功能,，而自Cortex-A9以后，用戶要求更高性能的處理器,，滿足高清影片播放,、瀏覽網頁以至多任務工作環(huán)境，即在智能手機上同時打開3-4項應用,，占用大量的CPU及內存資源,，尤以內存為甚。因為智能手機沒有硬盤,，大部份的數據都需要從內存中讀取,，使4GB的尋址上限顯得足襟見肘，而且智能手機因為空間有限需要GPU及CPU共享地址空間,，與PC的GPU及CPU擁有不同的地址空間不同,，無形中增加內存資源的占用。在Cortex-A15發(fā)布時,，ARM嘗試引入Physical Address Extensions技術,，把CPU可尋址的空間從32bit擴充至40bit，最大內存尋址從4GB擴充至1TB,，暫緩了內存上限問題,。不過引入Physical Address Extensions的做法治標不治本，因為Physical Address Extensions是以4KB page mapping即映像的方式支持4GB以上的內存,，不但較為復雜而且不能支持單個4GB以上的應用,，需把數據拆分處理。另一方面,，ARM在引入Cortex-A15的同時加入Virtualization虛擬功能,，這又增加對內存的需求,，最終步x86后塵走上64bit之路，也十分合理,。

在ARM架構的演進中,，ARMv8A最大的改變是支持64bit。

并未真正64bit?

在IT的世界,，功能是要付出成本的,，所以廠商普遍采用能省便省的做法。ARM引入64bit主要目的是要支持更多內存,，為進軍服務器,、工作站市場作準備。不過ARM也意識到用戶未必需要用到64bit上限的16EB內存,，所以選擇了x86-64的做法,，僅支持至48bit Virtual Memory，相當于256TB內存,。對于ARM的做法，作為一名計算機愛好者難免有所失望,，但考慮到目前主流內存容量在8-16GB左右,，加上操作系統如Windows 7 Ultimate也僅支持至192GB，ARM的做法也無可厚非,。

全新設計的A64指令集

ARM在2007年已著手設計工作,，并于2011年11月公報ARMv8A 64bit指令集架構，耗用了4年的研發(fā)時間,，時間可謂不過不失,。

ARMv8A分為A64及A32兩個部分，A64顧名思義屬于64bit的部份,，主要存在于AARCH64的狀態(tài),。而A32又稱AARCH32狀態(tài)，用作支持現有A32 ARM指令集,。ARM并沒有采用AMD x86-64及Intel EM64T擴充32bit指令做法,，而是選擇全新開發(fā)專用的64bit指令。據ARM方面表示,，這一做法與省電的考慮有關,，當運行64bit ISA時，ARMv7電路可處于閑置狀態(tài),，節(jié)省功耗,。同A64 ISA也移除了作用不大的LDM/STM(load/store multiple)指令，改為LD/ST ’P’指令,，以降低復雜性及功耗,，與此同時，32bit到64bit狀態(tài)轉換采用Inter-processing的做法，確保32bit到64bit指令皆可順利執(zhí)行,。

新增Registers及支援DP浮點

ARMv8A架構新增了31個64bit通用寄存器(General Purpose Registers),，改進排程選項以針對復雜軟件。同時,，還新增32個128bit Registers,，用作執(zhí)行SIMD。ARMv8A除了可執(zhí)行單精度(Single Precision)FP數據外,，新增支持雙精度(Double Precision)FP數據,，而且新增了IEEE754-2008 FP指令，如MaxNum/MinNum等等,。此外ARMv8A還把FPU及SIMD變成常設功能,，軟件不用檢測是否有相關功能。提供Cryptography加密指令,，而且是以128bit SIMD Registers執(zhí)行,，可在每周期同時執(zhí)行2個AES encode/decode指令，或4個SHA-1/SHA-256 Hash,。

最后,，雖然ARMv8A以64bit為主，但對于32bit的AArch32狀態(tài)也有所加強,。如新增的Cryptography及IEEE754-2008 FP指令,，Load acquire/store release`等等皆有幫提供32bit下的性能。

新增的31個64bit General Purpose Registers及32個128bit SIMD Registers,。

提供Cryptography加密指令,，且是在128bit SIMD Registers內進行。

ARMv8A強化了內存管理,，Virtual Address及Physical Address從40bit增至48bit,，支持更大容量內存。

率先登場的兩款64bit ARM處理器

在完成了64bit指令集的定義后,，ARM也隨即在2012年推出了兩款64bit ARM—Cortex-A57及A53產品,。該兩款產品自去年發(fā)布以外，不但獲得ARM陣營的強烈支持,，也吸引了AMD推出同時支持x86及ARM的64bit Server CPU,，氣勢如日方中。踏入2013年4月,，ARM與TSMC宣布成功流片(Tape Out)Cortex-A57處理器,，標志著64bit ARM成品已離我們不遠。

最多16個核心同時運算

相比于32bit ARM,，64bit ARM定位更多在服務器市場,，所以Cortex-A57及A53除了是可集成4個核心的SoC外,，也支持多機以Clusters串連共16個核心工作，大大提升運算性能,。另外,，在64bit方面，Cortex-A57及A53皆擁有ARMv8架構的完整功能,，如新增的31個64bit通用寄存器GPR及128bit SIMD,，支持雙精度浮點運算(Double Precision FP)等等，兩者的分別在于設計理念的不同,，表現為數據處理性能會的差別,。

Cortex-A57及A53可用clusters的方法支持4機共16個核心。

以效能為主的Cortex-A57

Cortex-A57是一顆重效能的CPU,，其設計主要沿自Cortex-A15,，如3路譯碼器及15+ stage亂序執(zhí)行管線(Out-of-Order Pipelines)，不過借著ARM所作的優(yōu)化,，如數據預取及增加Registers等等,，在處理32bit軟件也比Cortex-A15快20-30%左右。

在數據處理方面,，Cortex-A57提供遠高于Cortex-A53的性能,。首先是在管線的設計上，Cortex-A57管線stage較多(15+ vs 8),，而且是亂序執(zhí)行管線(Out-of-Order Pipelines)，比Cortex-A53的簡單按序執(zhí)行管線(Simpe In-Order Pipelines)尤其適合處理大量數據的環(huán)境,。另外,，它擁有更多的L1&L2 Caceh，要求至少48KB I-Cache,、32KB D-Cache及512KB L2 Cache,，對比之下，Cortex-A53為8KB I-Cache,、8KB D-Cache及128KB L2 Cache,。而且在尋址能力方面，Cortex-A57為44b,，相當于支持最多256GB內存,。至于Cortex-A53為40b，相當于支持64GB內存,。

Cortex-A57架構圖,。

強調比A9細的Cortex-A53

Cortex-A53是在提供足夠的性能下，盡量縮小芯片面積及功耗的產品,，所以它并沒有采用Cortex-A57較耗電的亂序執(zhí)行管線設計,，改用簡單按序執(zhí)行管線設計,。Cortex-A53提供目前主流Cortex-A9等級的效能，但芯片面積更小,，可在同制程下比Cortex-A9細40%,，如果使用20nm制程的話，面積僅為32nm Cortex-A9的1/4,，有助降低成本同時也可降低功耗,。

Cortex-A53架構圖。

Cortex-A53設計強調較Cortex-A9小的核心面積,。

第二代big.LITTLE

Cortex-A57 & A53也會沿用Cortex-A15 & A7的big.LITTLE技術,，因應需要而決定使用高性能的big核心或使用高節(jié)能的LITTLE。不過在配置上,，Cortex-A57 & A53較有彈性,，除了可使用4(big) + 4(LITTLE)外，也可使用2(big) + 4(LITTLE)的配置,。筆者認為,，考慮到Cortex-A57與Cortex-A53性能差距明顯，即使是4個Cortex-A53也遠不及2個Cortex-A57的性能,，所以增加LITTLE核心數目顯得十分重要,。