以小搏大!ARM Cortex A7全新架構(gòu)簡(jiǎn)析
泡泡網(wǎng)CPU頻道11月1日 如何在保證較長(zhǎng)續(xù)航時(shí)間的前提下實(shí)現(xiàn)更高的計(jì)算性能一直是困擾智能手機(jī)的難題，你可以設(shè)計(jì)出具有強(qiáng)大性能的處理器芯片，但是你卻很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間續(xù)航，而如果你為了節(jié)能推出低功耗芯片，那么芯片的計(jì)算能力又不能滿足應(yīng)用的要求，在這種矛盾中，移動(dòng)芯片場(chǎng)上的做法是將高性能計(jì)算芯片跟低功耗計(jì)算芯片聯(lián)合。
ARM欲推出Cortex A7超低功耗核心
在這方面的一個(gè)代表就是Nvidia的下一代Tegra3 SoC（代號(hào)為Kal-EI），Nvidia透露新一代SoC芯片將具備5顆運(yùn)算核心，其中四顆能夠提供較強(qiáng)的性能，并能在系統(tǒng)里顯示出來(lái)，而另外一顆則能在較低功耗下進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)移動(dòng)設(shè)備在待機(jī)情況下，低功耗核心開啟，完成emaile接收、SMS/MMS以及Twitter后臺(tái)更新等運(yùn)算，這時(shí)候高性能核心是關(guān)閉的以實(shí)現(xiàn)節(jié)能，而當(dāng)系統(tǒng)需要較強(qiáng)運(yùn)算能力時(shí)，另外的四顆高性能核心被喚醒參與運(yùn)算，而低功耗的A9核心則會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)。
Nvidia的解決方案中，所有的芯片都是采用了相同或者相似的架構(gòu)，而下面我們將要提到的不同架構(gòu)核心的組合機(jī)制則差不多。目前ARM還不能提供足夠低功耗的核心，因此Nvidia的解決方案里，低功耗的核心還是A9。而現(xiàn)在ARM正雄心勃勃得為Cortex家族增加這么一顆功耗足夠低的運(yùn)算核心、它既可以獨(dú)立使用也可以作為一顆ISA協(xié)作核心跟高性能的A15核心聯(lián)合使用。
● 架構(gòu)
其實(shí)自A9芯片開始，ARM就開始在亂序執(zhí)行核心方面發(fā)力（在改進(jìn)的并行計(jì)算中，指令的執(zhí)行將根據(jù)任務(wù)進(jìn)行重新排序），而在這方面Intel的X86是具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的——從Pentium Pro時(shí)代Intel就開始推行這一運(yùn)算機(jī)制。ARM將要推出的A15高性能核心即是繼續(xù)延續(xù)A9的步伐，而A7則是走了相反的一條路——回歸到Cortex A8的順序執(zhí)行，在并行計(jì)算中可以順序執(zhí)行兩條指令，不過(guò)A7跟原來(lái)的A8還是有著很多不同的。
Cortex A7跟Cortex A15的區(qū)別
A8的設(shè)計(jì)可以追溯到2003年，后來(lái)ARM計(jì)劃推出合成多核心的版本，用來(lái)提升頻率和性能，不過(guò)受制于將新產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間和研發(fā)上的成本壓力，“加強(qiáng)版”的A8核心計(jì)劃夭折。如今得益于市場(chǎng)、制程等，ARM具有了卷土重來(lái)的資本，A7核心可以幫助ARM在未來(lái)幾年內(nèi)奠定在高頻率、低功耗芯片方面的優(yōu)勢(shì)。
Cortex A7具備一顆8-stage的集成管線，并能支持雙發(fā)。不過(guò)跟A8不同的是，A7不支持雙發(fā)浮點(diǎn)或者說(shuō)NEON指令集，不過(guò)有另外的指令集讓A7實(shí)現(xiàn)單發(fā)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的很多方面，A7都跟A8相似，不過(guò)在FPU等方面得到大幅加強(qiáng)。
限制帶寬的設(shè)計(jì)讓A7的芯片體積可以做到很小，ARM宣稱28nm的單核Cortex A7的面積僅有0.5平方毫米，在工藝節(jié)點(diǎn)上，ARM希望合作廠商能將A7的die面積控制在A8的1/2甚至1/3，順便一提，A9的die面積跟A8差不多，而高性能的A15則要比兩者大得多，具體規(guī)格參見下表。
盡管限制了雙發(fā)能力，ARM希望A7能提供比A8更強(qiáng)的每赫茲性能和整體性能，由于采用了相比A8更先進(jìn)的預(yù)測(cè)器，A7的分支預(yù)測(cè)計(jì)算能力得到提升，更好的預(yù)測(cè)算法也使得這顆芯片更為節(jié)能，此外ARM還指出，它們?cè)贏7中采用了更低延遲的L2緩存（10 cycles），不過(guò)具體的情況還要取決于制造廠商。
“Cortex A7重新定義了能效”
不過(guò)實(shí)際上，由于限制了雙發(fā)帶寬，Cortex A7的評(píng)估性能要比A8要低一些，具體的對(duì)比參見下表。
Cortex A7的評(píng)估性能不如A8（數(shù)值越大越好）
好消息是，Cortex A7能與Cortex A15實(shí)現(xiàn)100%的ISA兼容，而且A7能夠支持新的虛擬化指令集、支持整數(shù)除法和40-bit內(nèi)存尋址。也就是說(shuō)任何運(yùn)行在A15核心上的代碼都可以在A7上運(yùn)行，只是運(yùn)算速度要慢一些。不過(guò)這一點(diǎn)讓SoC芯片同時(shí)搭載Cortex A15和Cortex A7具有了實(shí)際意義，二者也可以根據(jù)任務(wù)負(fù)載的不同即時(shí)切換，ARM把這種機(jī)制稱為“big.LITTLE”。
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