輕松讀懂移動處理器 CPU微架構(gòu)全解析

在介紹一些稍微復(fù)雜的技術(shù)概念之后，我們不妨想看看 ARM 的由來。

ARM ISA 屬于 RISC（精簡指令集計算機(jī)，最關(guān)鍵特征是指令編碼格式統(tǒng)一），ARM 本身就是 Advanced RISC Machines 的縮寫，不過在早期它的全稱是 Acorn RISC Machine（1983 年 10 月開始設(shè)計，1985 年實(shí)現(xiàn)第一枚硅片），因?yàn)楣井?dāng)時的名字叫 Acorn。

Acorn 是一家 1978 年在英國劍橋成立的公司，這家公司生產(chǎn)過若干款在英國頗為流行的電腦，例如在當(dāng)?shù)亟虒W(xué)市場占主導(dǎo)的 BBC Micro。

BBC Micro 取得了很大的成功，但是處理器是 8 位 的 6502，Acorn 希望切換到 16 位系統(tǒng)上來，但是英特爾拒絕了 Acorn 的 80286 樣片申請。不過經(jīng)過 Acorn 的多番實(shí)地考察和研究后，覺得在（當(dāng)時）設(shè)計一個處理器的研發(fā)成本并不是很高，于是決定開始做 Acorn RISC Machine 這個項(xiàng)目。

基于 Acorn RISC Machine 的 ARM2aS 處理器獲得了蘋果公司名為 Mobius 的類 Apple 2 風(fēng)格原型驗(yàn)證機(jī)接洽，這個項(xiàng)目后來因?yàn)樘O果擔(dān)心和大賣的麥金塔電腦產(chǎn)生沖突而腰斬，但是這次接觸對 ARM 處理器的發(fā)展產(chǎn)生了一定的推動作用，因?yàn)?Mobios 團(tuán)隊(duì)對 ARM 寄存器做了一些小修改使得原型機(jī)的基準(zhǔn)性能有不同幅度的顯著改善。

后來蘋果開始著手開發(fā)名為 Newton 的個人掌上電腦，他們發(fā)現(xiàn)似乎只有 Acorn RISC Machine 能滿足要求耗電要求，但是當(dāng)時 Acorn RISC Machine 處理器的內(nèi)存管理單元并非 Acorn 自家，而是由 MEMC 公司提供芯片實(shí)現(xiàn)的，Acorn 沒錢開發(fā)這個功能。于是雙方就有了合作的想法，到了 1996 年 Acorn 和蘋果合資組建了 ARM 公司，不過 Acorn 公司依然獨(dú)立存在著直到 2000 年才基本煙消云散。

和一般的 RISC 不同的是，ARM ISA 除了指令長度固定為 32-bit（ARMv8 的 AArch 提供了 64-bit）的“經(jīng)典 ARM” ISA 外，還有長度為 32-bit 或 16-bit 名為 Thumb（拇指）的 ISA 擴(kuò)展。

Thumb 的目的是在低端或者說入門市場應(yīng)用中改善 ARM 的指令密度（官方說法是減少大約 25%～35% 代碼空間，按照 Linaro Dave Martin 的 Linux Kernel 編譯結(jié)果，代碼空間少了大概 20%），提高指令密度可以讓 cache 塞進(jìn)更多的指令減少命中缺失，更高密度的指令編碼也有利于多線程因?yàn)榭捎眉拇嫫髻Y源更多了等。大部分的 Thumb 指令編碼都能（經(jīng)過位于指令解碼器前的一個轉(zhuǎn)譯器實(shí)現(xiàn)簡單轉(zhuǎn)換）對應(yīng)到經(jīng)典 ARM 指令編碼格式上。

Thumb 是 ARM 在嵌入式市場得以攻城拔寨的關(guān)鍵利器，在很長一段時間里都鮮有對手，Cortex 家族中用于單片機(jī)為主應(yīng)用的 Cortex-M 甚至只支持 Thumb-2 指令（ARMv7 M），同樣以授權(quán)方式運(yùn)營的 MIPS 直到 2010 年才推出類似的 microMIPS 指令。

VFP（Vector Floating Point，向量浮點(diǎn)）是 ARM 架構(gòu)的浮點(diǎn)單元協(xié)處理器擴(kuò)展，提供了完全遵循 IEEE 754-1985 的低成本單精度和雙精度浮點(diǎn)支持。雖然 VFP 打著向量的名頭，不過這些“向量”指令的各個向量是串列方式執(zhí)行（或者需要單精度搭配雙精度才能實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行）的，并不能提供真正的 SIMD 向量并行，因此這個向量模式被拿掉了。

Advanced SIMD（NEON）擴(kuò)展在微架構(gòu)實(shí)現(xiàn)中被稱作 MPE（媒體處理引擎），是一個 64-bit 和 128-bit SIMD 指令集擴(kuò)展，支持 8/16/32/64 位整數(shù)和 32-bit 單精度浮點(diǎn)數(shù)，共享使用 VFP 的寄存器。從 ARMv8 開始，NEON 在 AArch 64-bit 模式下提供完全遵循 IEEE 754 和雙精度支持并且透過 VFPv4 具備 32 個 128-bit 寄存器。