簡介

　　ARM Cortex-A 移動(dòng)應(yīng)用處理器產(chǎn)品線橫跨了幾代產(chǎn)品和三個(gè)主要產(chǎn)品類別。有些開發(fā)人員和 SoC 設(shè)計(jì)人員經(jīng)歷了一款或多款新型 ARM 處理器的推出過程，他們知道該產(chǎn)品線如何從單個(gè)高性能通用 CPU 設(shè)計(jì)演進(jìn)成為三個(gè)不同產(chǎn)品線，分別面向高端、中端、入門級的移動(dòng)設(shè)備 SoC 市場，這讓他們受益匪淺。

　　Cortex-A8

　　ARM 在 2005 年向市場推出 Cortex-A8 處理器，是第一款支持 armv7-a 架構(gòu)的處理器。ARMv7 包括 3 個(gè)關(guān)鍵要素：NEON 單指令多數(shù)據(jù) （SIMD） 單元、ARM trustZone 安全擴(kuò)展、以及thumb2 指令集，通過 16 位和 32 位混合長度指令以減小代碼長度。Cortex-A8 是 ARM 實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)基于新ISA的超標(biāo)量處理器：它實(shí)現(xiàn)了完全雙發(fā)射流水線，這意味著 cortex-a8 能夠同時(shí)發(fā)出在指令流中先后出現(xiàn)的任何兩個(gè)沒有數(shù)據(jù)依賴的指令。但是，它不能亂序來發(fā)射或撤銷指令 –該功能在之后的設(shè)計(jì)中才被實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)我們推出 Cortex-A8 時(shí)，很多合作伙伴認(rèn)為這款處理器放在移動(dòng)電話上是大材小用，他們很自然地質(zhì)疑道，“客戶會在手機(jī)上瀏覽互聯(lián)網(wǎng)？不太可能吧。”但是，我們和業(yè)界一些主要思想領(lǐng)袖合作，向客戶將會需要的產(chǎn)品邁進(jìn)，尤其是因?yàn)楫?dāng) Cortex-A8 在 2008 年投入批量生產(chǎn)時(shí)，高帶寬無線連接 （3G ） 已經(jīng)問世，大屏幕也用于移動(dòng)設(shè)備。創(chuàng)新的移動(dòng)行業(yè)充分利用了該產(chǎn)品：Cortex-A8 芯片的推出正好趕上了智能手機(jī)出貨量猛增的大好時(shí)機(jī)。

　　Cortex-A9

　　推出 Cortex-A8 之后不久，ARM 又推出了首款多核 ARMv7 CPU：cortex-a9。Cortex-A9 利用硬件模塊來管理 CPU 集群中一至四個(gè)核心之間的高速緩存一致性，加入了一個(gè)外部二級高速緩存。理論上，客戶可以設(shè)計(jì)不包括二級緩存的小型版本 Cortex-A9，這種設(shè)計(jì)允許剔除管理高速緩存一致性的邏輯模塊，以實(shí)現(xiàn)尺寸更小的單核設(shè)計(jì)。但實(shí)際上，大多數(shù)設(shè)計(jì)都采用雙核個(gè)或更多核心并附帶二級高速緩存。此外，在2011 年底和 2012 年初，當(dāng)移動(dòng) SoC 設(shè)計(jì)人員可以采用多個(gè)核心之后，提高性能的突破點(diǎn)從提高單核性能轉(zhuǎn)移到提高核的數(shù)量。旗艦級高端移動(dòng) CPU迅速從最初的雙核拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)移至四核 Cortex-A9。

　　除了開啟了多核性能大門之外，與 Cortex-A8 相比，每個(gè) Cortex-A9 處理器的單時(shí)鐘周期指令吞吐量提高了大約 25%。這個(gè)性能的提升是在保持相似功耗和芯片面積的前提下， 通過縮短流水線并亂序執(zhí)行以及在流水線早期階段集成neon SIMD 和浮點(diǎn)功能而實(shí)現(xiàn)的。

　　Cortex-A15

　　隨著智能手機(jī)市場開始加速發(fā)展，ARM 再次預(yù)見到了不斷發(fā)展的移動(dòng)系統(tǒng)對芯片性能提出的更高要求。為此ARM開發(fā)了一款性能上大幅提升的處理器，用以專門針對新的高端移動(dòng)市場。在已經(jīng)非常強(qiáng)大的 Cortex-A9 的基礎(chǔ)上，ARM 憑借 cortex-a15 又將性能提高了 50% 以上。此外，Cortex-A15 引入了一系列架構(gòu)擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)了更大物理地址空間、硬件虛擬化支持和擴(kuò)展一致性。在 32 位系統(tǒng)中內(nèi)存被劃分為 2GB 設(shè)備內(nèi)存和 2GB 普通內(nèi)存，當(dāng)設(shè)備的 RAM 超出2GB的時(shí)候，擁有更大的物理地址空間就變得異常重要。ARM和其他合作伙伴也一直在探索虛擬化技術(shù)在商務(wù)移動(dòng)系統(tǒng)和自帶設(shè)備中的用戶操作系統(tǒng)以及類似應(yīng)用情景進(jìn)行探索。。擴(kuò)展一致性在 big.LITTLE 處理器技術(shù)中被應(yīng)用的淋漓盡致，它提供了一種降低平均功耗并在功耗受限的條件下優(yōu)化達(dá)到最大性能的方法。

　　Cortex-A15 集群集成了監(jiān)聽控制單元 （SCU） 以實(shí)現(xiàn)硬件一致性，每個(gè)集群包含一至四個(gè) CPU 核心，并集成二級高速緩存控制器 – Cortex-A15 之后的所有 ARM Cortex-A 系列 CPU 都沿用了這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　在移動(dòng)設(shè)備中不斷突破性能極限

　　比較 Cortex-A 系列高端處理器的性能，可以看到自從 Cortex-A8 1GH 處理器在 2008 年上市以來，性能有了大幅提升。

　　一致性擴(kuò)展機(jī)制，實(shí)現(xiàn)為 AMBA ACE， 使下圖所示的big.little SoC成為可能。在 big.LITTLE 系統(tǒng)中，通常實(shí)現(xiàn)一個(gè)“大”CPU 集群，并對其進(jìn)行調(diào)節(jié)以滿足高性能的要求，同時(shí)對“小”的 CPU 集群進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足對高能效。在典型工作負(fù)載中，LITTLE 處理器可以處理絕大部分工作，而“big”CPU 集群的激活時(shí)間不足 10%，在很多情況下還達(dá)不到總 CPU 運(yùn)行時(shí)間的 1%。通過 CoreLink CCI-400 高速緩存一致性互連組件，CPU 集群能夠監(jiān)聽其他集群的高速緩存，從而實(shí)現(xiàn)軟件線程從一個(gè)集群到另一集群的快速轉(zhuǎn)移。

　　Cortex-A12

　　隨著智能手機(jī)市場的爆炸式增長，SoC 供應(yīng)商和 OEM 將該市場劃分為旗艦高端級別、中端級別、低成本入門級別。隨著這些細(xì)分市場的出現(xiàn)，ARM 一直在定義專門針對上述三個(gè)級別市場的不同處理器。cortex-a12 是采用全新微架構(gòu)的一個(gè)全新處理器，專門面向快速發(fā)展的中端移動(dòng)市場。下圖顯示了這些細(xì)分市場的規(guī)模，以及面向這些細(xì)分市場的 ARM Cortex-A 產(chǎn)品：

　　Cortex-A12 的設(shè)計(jì)面向中端移動(dòng) SoC，以滿足這一細(xì)分市場對于芯片面積和功耗的要求。它使用無序雙執(zhí)行流水線，其性能比當(dāng)前在許多中端移動(dòng) SoC 中使用的 Cortex-A9 高出 40%。Cortex-A12 在 2013 年中推向市場，有望在 2014 投入量產(chǎn)。它是一款 32 位處理器，具有與 Cortex-A15 相同的物理地址擴(kuò)展和相關(guān)的架構(gòu)特性。

　　Cortex-A12 能夠在很多（但并非全部）用例中提供接近 Cortex-A15 的性能。Cortex-A12 還針對中端移動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，取消了一些企業(yè)功能，使用略微簡單的流水線，因此在橫跨多個(gè)市場的高端設(shè)備上都可以找到Cortex-A15的身影，而 Cortex-A12 則專門面向中端移動(dòng)設(shè)計(jì)。