ARM平臺處理器簡介

1.總體情況

先從ARM的wiki上抄個表過來：

左側的一列可以視作是ARM處理器的各個“代”，而右側則是同一代的各個“家族”（或者說“系列”）。現(xiàn)在基本已是ARMv7的時代，ARMv6及更早的Architecture只在一些低端的設備上能見到了。而ARMv8則是ARM平臺的未來時，被設計為64位的架構，顯然不是主要面向移動設備的。不過到現(xiàn)在為止ARMv8也只是有一些資料，離真正面世還有一段時間。

現(xiàn)在把重點放在ARMv7，更確切的，是ARMv7中的Cortex-A系列核心上來。Cortex-M系列處理面向嵌入式應用，而Cortex-R系列則面向實時應用，Cortex-A，則面向廣大的手機用戶。

2.Cortex-A系列的眾多核心們

*發(fā)布年份是ARM公布核心的時間（可能不太準確）。

*A15的流水線前12級是in-order的，后面則是out-of-order的多種流水線，級數(shù)從3到12不等。A7類似，NEON部件的流水線是10級，整點則是8級。

現(xiàn)在來分析一下各個核心的參數(shù)。首先是Cortex-A后面的編號，大體上，這個編號代表該核心的性能，或者說在ARM產(chǎn)品線中的位置。比如A5面向低端應用，編號最?。籄15是目前ARMv7性能中性能最高的核心；A7雖然發(fā)布晚于A8，而且規(guī)格接近，但由于限制了雙發(fā)帶寬，其性能預期是低于A8的?？偟膩砜矗珹5的定位最低端，取代ARMv7之前的產(chǎn)品；A15最高端，A7性能低于A8，但更加節(jié)能，成本也更低；A8/A9則可能被取代，不過目前仍然是主流；A15則是目前為止ARM處理器中規(guī)格最高的了。

再看一下較新的核心中幾個重要的特性。A7和A15支持硬件虛擬化，以A7的定位來說硬件虛擬化的支持似乎沒有太多用武之地，不過對于A15來說則表明A15可能用于傳說中的ARM服務器（不過算算時間似乎也沒有太多A15發(fā)揮的余地，畢竟64位的ARMv8更適合用于服務器）。大物理地址擴展（LPAE）和x86上的PAE相似，允許32位的ARM處理器最大尋址2^40bit的內(nèi)存（1TB）。這又是一個表明A15可用于服務器的跡象，畢竟4G的尋址空間對現(xiàn)在的服務器來說完全不夠用啊。

3.浮點和高級SIMD部件

ARMv7開始使用VFPv3版本的浮點部件，而ARMv7中更新的核心則使用了VFPv4（ 見前面表格）。VFPv2則用于ARMv7之前的核心，現(xiàn)在還有一部分低端手機使用這種處理器；而使用VFPv1浮點部件的核心已經(jīng)基本淘汰掉了。ARM的高級SIMD部件稱為NEON，從ARMv7開始出現(xiàn)

ARM浮點部件的一個問題是對很多核心來說是可選的，一些處理器并沒有浮點部件。不僅如此，盡管ARMv7的處理器基本都實現(xiàn)了浮點部件，但浮點部件也有多個可選實現(xiàn)，再加上NEON部件也是可選的，最后導致市面上的ARM處理器對浮點/SIMD的支持并不一致。下表列出了主要的VFPv3實現(xiàn)的版本（VPFv4的資料需要補充）：

上表中所說的32位寄存器和64位寄存器并不是獨立的，前16個64位寄存器每個可以視為2個32位寄存器，同時，兩個64位寄存器可以視為一個128位寄存器。下圖來自ARM官方文檔，展示了32位寄存器和64位寄存器的關系：

對于VFPv3-D16、VFPv3-D16-FP16和VFPv4-D16來說，上圖中的D16~D31是不存在的。除了上表中的版本，VFPv3還有單精度版本，只實現(xiàn)了單精度浮點數(shù)的運算指令，gcc中稱這種版本的VFPv為“vfpv3xd”，相應的，還有vfpv3xd-fp16。不過這種實現(xiàn)的ARM處理比較少見。

NEON部件和浮點部件關系密切，在兩者同時存在時，使用的是同一套寄存器。不過，NEON的寄存器數(shù)目是固定的，和VFPv3/VFPv-FP16/VFPv4相同。這意味著，NEON不能和VFPv3-D16/VFPv3-D16-FP16這種寄存器閹割版共存。當沒有浮點部件時，NEON部件只能進行整點運算。下表是NEON和VFP部件可能的組合：

從上面這個表可以看出，即使VFP部件實現(xiàn)了雙精度運算的功能，NEON部件也只能進行單精度運算。不止如此，gcc的手冊之處，NEON的浮點運算不完全符合IEEE 754標準，在某些情況下會損失精度，因此即使使用了自動向量化的選項，浮點運算的向量化默認也是關閉的。

依據(jù)半精度和Fused Multiply-Ad擴展的實現(xiàn)情況，NEON部件可以分為3種版本：

高級SIMDv1：兩者均未實現(xiàn)

高級SIMDv1帶半精度擴展：實現(xiàn)了半精度擴展

高級SIMDv2：同時實現(xiàn)了半精度和Fused Multiply-Ad擴展

而NEON半精度和Fused Multiply-Ad擴展的實現(xiàn)情況與VFP部件是相關的。

總結一下VFP和NEON的特點：

1.VFPv3/VFPv4分為根據(jù)寄存器情況分為D16和D32兩個版本，D16的雙精度（64位）寄存器只有16個。

2.D16版本的VFP不能和NEON部件共存。

3.NEON部件單獨存在時只能進行整點運算

4.實現(xiàn)了半精度擴展的VFPv3稱為FP16版本，如果連Fused Multiply-Ad擴展也實現(xiàn)了，就是VFPv4了。

除了上面所說的，ARMv7處理器還有很多特性。由于我了解的不多，就不多說了