深入了解汽车系统级芯片SoC连载之六：CPU微架构

一

微操作μ-op与宏操作macro-op

英特尔SunnyCove内核前端

图片来源：英特尔

上图为英特尔Sunny Cove内核前端。因为CISC的指令长度不确定，且比较复杂，英特尔将这些指令切割成固定长度，这个微指令从Pentium Pro开始在IA架构出现。处理器接受的是x86指令(CISC指令，复杂指令集)，而在执行引擎内部执行的却不是x86指令，而是一条一条的类RISC指令，Intel 称之为Micro Operation，即micro-op或μ-op，一般用比较方便的写法来替代掉希腊字母: u-op或者uop。相对地，融合了多条指令的操作就称之为Macro Operation或macro-op，即宏操作。

 

英特尔逐渐改进微指令，后来加入微指令缓存即uOP cache，也有的地方叫L0级缓存，表面看来，uOP cache被定位为一个2级指令cache单元，是1级指令cache单元的子集。其独特之处在于它所存储的是译码之后的指令（uOPs）。早期Micro-op cache是由32组8条cacheline组成。每条cacheline最多保留6条uOps，共计1536条uOps，Sunny Cove是48组，也就是2304条uOps。这个Cache是在两个线程之间共享的，并保留了指向micro sequencer ROM的指针。它也是虚拟地址寻址，是L1指令cache的严格的子集。每条cacheline还包括其包含的uop数量及其长度。

 

内核一直都在处理来自指令流（Instruction Stream）的连续的32byte信息。同样地，uOPcache也是基于32byte窗口。因此uOP cache可以基于LRU（Least Recently Used）策略存储或者放弃整个窗口。英特尔将传统的流水线称为“legacy decode pipeline”。在首次迭代时，所有的指令都是经过“legacy decode pipeline”。一旦整个指令流窗口被译码并且发送到分配队列，窗口的拷贝就被发送到uOP cache。这是与所有其他操作同时发生的，因此这个功能没有增加额外的流水线阶段。后续的迭代，被缓存的已经解码好的指令流就可以直接被发送到分配队列了，省却了取指、预译码和译码的阶段，节省功耗，增加了吞吐量。这也是一个更短的流水线，延迟也减小了。

 

uOP cache有着高于80%的命中率。在取指期间，分支预测器将会读取uOPscache的tags。如果命中了cache，会可以每周期发送至多4条uops（可能包含了fused macro-ops）到Instruction Decode Queue（IDQ），绕开了其他所有本该进行的预译码和译码。

ARMCortex-A77微架构

图片来源：ARM

上图为ARM Cortex-A77的架构图，自A77开始，ARM也添加了经解码后的指令缓存，与英特尔的uOP缓存高度类似，只不过ARM反其道用之，英特尔是把CISC指令切割成微指令，ARM是融合，把定长定格式的RISC指令融合成宏操作MOP（Macro Operation），然后再分割成uOP。这样做可能是RISC指令分得太散，有些是可以融合的，这样效率更高。再有就是解码器通常比后端吞吐量更高，有足够的MOP缓存可以让后端工作更饱和，利用率更高。

 

A78也是如此，每周期4个指令，6个MOPs，X1则不同，每周期5个指令，8个MOPs。

A78译码到分布

图片来源：互联网

二

发射与执行

ARM和AMD的执行单元一般将整数计算（ALU）与浮点计算（FPU）分开，英特尔则是合二为一，执行端关键的参数是发射宽度(Issue Width)，目前最宽的是ARM的V1，多达15位，宽度越宽，ALU和FPU数量可以越多。通常ALU是4个，整数运算单元4个就够。V1有4个ALU，4个针对浮点的NEON，其中包含两个SVE。3个Load加载，2个写入Store。还有两个分支针对特定计算类型。

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所有计算机程序的本质，是指令的执行过程，从根本上说，也就是处理器的寄存器(Register)到内存之间的数据交互过程。这个交互，无非两个步骤:读内存，也就是加载操作(load), 从内存读到寄存器，写内存，就是存储操作(store)，从寄存器写入到内存，LSU就是Load Store Unit。

 

LSU部件是指令流水线的一个执行部件，其上接收来自内核的LSU发射序列，其下连接着存储器子系统即数据缓存。其主要功能是将来自CPU的存储器请求发送到存储器子系统，并处理其下存储器子系统的应答数据和消息。在许多微架构中，引入了AGU（寻址生成器）计算有效地址以加速存储器指令的执行，使用ALU（计算单元，通常是标量计算单元）的部分流水处理LSU中的数据。而从逻辑功能上看，AGU和ALU所做的工作依然属于LSU。

三

定点与浮点

所谓定点格式，即约定机器中所有数据的小数点位置是固定不变的。通常将定点数据表示成纯小数或纯整数，为了将数表示成纯小数，通常把小数点固定在数值部分的最高位之前；而为了将数表示成纯整数，则把小数点固定在数值部分的最后面。

比如十进制的3.75，那么你可以用011+0.11，但是这种加法首先要对齐位宽，对齐目的就是让大家的单位一致。你可以把011扩展为011.00，把0.11扩展为000.11，这样一相加就得到011.11，就是十进制的3.75了，存在电脑的时候，电脑是没有小数点的，只会存为01111。如果是定点格式，这个小数点的位置就固定了，无法变动，由于计算的时候必须对齐位宽，这使得电脑能处理的数据范围受到限制，不能太大，也不能太小。假设以一个字节表示小数，小数点固定在5.3的位置，高5位表示整数，低3位表示小数：11001_001 —— 11001.001，转换一下：整数部分11001= 25，                   小数部分001 = 1（分子部分） 分母是1000（8），所以小数部分1/8（二级制只有0和1）。最终的小数表示是 25+ 1/8，即存在 0/8， 1/8，2/8，  ….  7/8共八个档，表示精度为1/8，所以定点小数存在数值范围和数值精度的问题！数值范围与精度是一对矛盾，一个变量要想能够表示比较大的数值范围，必须以牺牲精度为代价；而想精度提高，则数的表示范围就相应地减小。在实际的定点算法中，为了达到最佳的性能，必须充分考虑到这一点，即权衡动态范围和精度。

如果是逻辑运算或简单的整数运算还可以，如果要显示比较大的变量，小数点的位置必须可以自由移动，这就是浮点。

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比如123.45用十进制科学计数法可以表示为1.2345x102，其中1.2345为尾数，10为基数，2为指数。浮点数利用指数达到了浮动小数点的效果，从而可以灵活地表达更大范围的实数。IEEE754指定了：两种基本的浮点格式：单精度和双精度。其中单精度格式具有24位有效数字(即尾数)精度，总共占用32位；双精度格式具有53位有效数字(即尾数)精度，总共占用64位。

两种扩展浮点格式：单精度扩展和双精度扩展。此标准并未规定这些格式的精确精度和大小，但指定了最小精度和大小，例如IEEE双精度扩展格式必须至少具有64位有效数字精度，并总共占用至少79位。

浮点运算和定点运算（整数运算）不同，它通常是6个步骤：1. 异常检测：主要检测NAN（非数） 2. 对阶，尾数右移：不同阶码尾数不能直接相加减，所以需要对阶，比如1.1 * 2 E 1  + 1.1 * 2 E 2 尾数就不能运算，对阶，尾数右移，最终阶码一致。3 . 尾数求和求差，将对阶后的尾数按定点加减运算规则进行运算。4. 规格化：把非规格的小数转换为规格化的小数。5. 在对阶和右移过程中，可能会将尾数的低位丢失，引起误差，影响精度，为此可用舍入法来提高尾数的精度。IEEE754标准列出了四种可选的舍入处理方法：向上舍入，向下舍入，向最近舍入，直接截去。6. 溢出检查，与定点数运算不同的是，浮点数的溢出是以其运算结果的阶码的值是否产生溢出来判断的。若阶码的值超过了阶码所能表示的最大正数，则为上溢，进一步，若此时浮点数为正数，则为正上溢。若浮点数为负数，则为负上溢。进一步，若此时浮点数为正数，则为正下溢，若浮点数为负数，则为负下溢。正下溢和负下溢都作为机器零处理，即将尾数各位强制为零。 

四

具体CPU微架构

特斯拉使用AMD的CPU，因此特别对AMD的微架构做以说明。

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这是Zen 2代微架构的前端，ITLB就是 Instruction Translation Lookaside Buffer，另一种说法是指令转换后备缓冲区。AMD的L0/L1/L2缓存与传统的缓存定义不同，它解签了软件意义上的缓存而非硬件，L1里有BTB缓存，Hash路径缓存表，ITLB缓存好几种。Zen3代则将L1的BTB缓存由512条扩展到1024条，提高分支预测准确度。虽然L1缓存异常复杂，但总容量还是32K，分8路。Return Stack是方法返回栈，可能是分支预测异常的返回地址。

分支预测器经过Micro tags最终变为8个宏操作Marco Ops，进入宏操作缓存，缓存量为4K条，指令缓存排成序列，进入译码器，译码器宽度是4位，8个宏操作和4个译码后的指令进入OC/IC，分解为微操作序列，再分别进入堆叠引擎和存储独立侦测系统还有微码序列ROM，再进入分发站。

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Zen2代微架构的执行端，执行端分整数和浮点两大执行器，绿色为整数，粉色为浮点。整数部分指令经过重命名和定位后进入序列器，完成后提交或者说退出Retire再进入物理寄存器文件，再前向混合，进入ALU4个算数计算器，3个地址生成器。Zen3代的寄存器条目增加到212个。浮点方面寄存器略少，FADD和FMA分别是加法和乘法管线，管线有4条，Zen3代增加到6条，不过计算管线还是4条。

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最后是加载和写入部分。

Zen2 Die Shot

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Zen 2代一个核的透视图，可以看到缓存占芯片的面积最大，其次是浮点运算用的SIMD，然后是分支预测，加载与写入，译码，计算用的ALU所占面积很小。