ARM平台处理器简介

hxcnz 2013-07-10

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初次接触到ARM的时候，我直接被众多的处理器版本、系列搞晕了，查了好多资料才理清。现在在这里总结一下，希望能帮到别人。

1.总体情况

先从ARM的wiki上抄个表过来：

Architecture	Family
ARMv1	ARM1
ARMv2	ARM2,ARM3
ARMv3	ARM6,ARM7
ARMv4	StrongARM,ARM7TDMI,ARM9TDMI
ARMv5	ARM7EJ,ARM9E,ARM10E,XScale
ARMv6	ARM11, Cortex-M
ARMv7	Cortex-A,Cortex-M,Cortex-R
ARMv8	-

左侧的一列可以视作是ARM处理器的各个“代”，而右侧则是同一代的各个“家族”（或者说“系列”）。现在基本已是ARMv7的时代，ARMv6及更早的Architecture只在一些低端的设备上能见到了。而ARMv8则是ARM平台的未来时，被设计为64位的架构，显然不是主要面向移动设备的。不过到现在为止ARMv8也只是有一些资料，离真正面世还有一段时间。

现在把重点放在ARMv7，更确切的，是ARMv7中的Cortex-A系列核心上来。Cortex-M系列处理面向嵌入式应用，而Cortex-R系列则面向实时应用，Cortex-A，则面向广大的手机用户。

2.Cortex-A系列的众多核心们

核心	Cortex-A5	Cortex-A7	Cortex-A8	Cortex-A9	Cortex-A15
发布年份	2009年	2011年	2006年	2007年	2011年
核心	1-4核	1-4核	单核	1-4核	最多4核每cluster，每物理核最多2个cluster
流水线	8级（in-order）	8-10级	13级（整点 in-order）	8级（out-of-order）	12级in-order加3-12级out-of-order
硬件虚拟化	否	是	否	否	是
L1 Cache	4-64K/4-64K	8-64K/8-64K	16-32K/16-32K	16-64K/16-64K	32K/32K
大物理地址扩展	否	是	否	否	是
浮点部件	VFPv4	VFPv4	VFPv3	VFPv3	VFPv4

*发布年份是ARM公布核心的时间（可能不太准确）。

*A15的流水线前12级是in-order的，后面则是out-of-order的多种流水线，级数从3到12不等。A7类似，NEON部件的流水线是10级，整点则是8级。

现在来分析一下各个核心的参数。首先是Cortex-A后面的编号，大体上，这个编号代表该核心的性能，或者说在ARM产品线中的位置。比如A5面向低端应用，编号最小；A15是目前ARMv7性能中性能最高的核心；A7虽然发布晚于A8，而且规格接近，但由于限制了双发带宽，其性能预期是低于A8的。总的来看，A5的定位最低端，取代ARMv7之前的产品；A15最高端，A7性能低于A8，但更加节能，成本也更低；A8/A9则可能被取代，不过目前仍然是主流；A15则是目前为止ARM处理器中规格最高的了。

再看一下较新的核心中几个重要的特性。A7和A15支持硬件虚拟化，以A7的定位来说硬件虚拟化的支持似乎没有太多用武之地，不过对于A15来说则表明A15可能用于传说中的ARM服务器（不过算算时间似乎也没有太多A15发挥的余地，毕竟64位的ARMv8更适合用于服务器）。大物理地址扩展（LPAE）和x86上的PAE相似，允许32位的ARM处理器最大寻址2^40bit的内存（1TB）。这又是一个表明A15可用于服务器的迹象，毕竟4G的寻址空间对现在的服务器来说完全不够用啊。

3.浮点和高级SIMD部件

ARMv7开始使用VFPv3版本的浮点部件，而ARMv7中更新的核心则使用了VFPv4（见前面表格）。VFPv2则用于ARMv7之前的核心，现在还有一部分低端手机使用这种处理器；而使用VFPv1浮点部件的核心已经基本淘汰掉了。ARM的高级SIMD部件称为NEON，从ARMv7开始出现

ARM浮点部件的一个问题是对很多核心来说是可选的，一些处理器并没有浮点部件。不仅如此，尽管ARMv7的处理器基本都实现了浮点部件，但浮点部件也有多个可选实现，再加上NEON部件也是可选的，最后导致市面上的ARM处理器对浮点/SIMD的支持并不一致。下表列出了主要的VFPv3实现的版本（~~VPFv4的资料需要补充~~）：

版本	寄存器	其他特性
VFPv3(-D32)	32个64位寄存器，32个32位寄存器
VFPv3-FP16	同上	半精度扩展（FP16的含义）
VFPv4(-D32)	同上	VFPv4总是实现半精度扩展和Fused Multiply-Add 扩展
VFPv3-D16	16个64位寄存器，32个32位寄存器
VFPv3-D16-FP16	同上	半精度扩展
VFPv4-D16	同上	同VFPv4

上表中所说的32位寄存器和64位寄存器并不是独立的，前16个64位寄存器每个可以视为2个32位寄存器，同时，两个64位寄存器可以视为一个128位寄存器。下图来自ARM官方文档，展示了32位寄存器和64位寄存器的关系：

对于VFPv3-D16、VFPv3-D16-FP16和VFPv4-D16来说，上图中的D16~D31是不存在的。除了上表中的版本，VFPv3还有单精度版本，只实现了单精度浮点数的运算指令，gcc中称这种版本的VFPv为“vfpv3xd”，相应的，还有vfpv3xd-fp16。不过这种实现的ARM处理比较少见。

NEON部件和浮点部件关系密切，在两者同时存在时，使用的是同一套寄存器。不过，NEON的寄存器数目是固定的，和VFPv3/VFPv-FP16/VFPv4相同。这意味着，NEON不能和VFPv3-D16/VFPv3-D16-FP16这种寄存器阉割版共存。当没有浮点部件时，NEON部件只能进行整点运算。下表是NEON和VFP部件可能的组合：

NEON部件	VFP部件	说明
仅整型	未实现
整型和单精度浮点	单精度浮点
整型和单精度浮点	单精度和双精度浮点
未实现	单精度浮点
未实现	单精度和双精度浮点