ARMv8架構(gòu)的概述

ARMv8架構(gòu)包含32位和64位執(zhí)行狀態(tài)，其引入了使用 64 位寬寄存器執(zhí)行執(zhí)行的功能，并且提供了向后兼容性機(jī)制，使現(xiàn)有的 ARMv7 軟件能夠執(zhí)行。

• ? AArch64 ：ARMv8中64位的執(zhí)行狀態(tài)。
• ? AArch32：ARMv8中32位的執(zhí)行狀態(tài)，與ARMv7幾乎相同。

在GNU和Linux的文檔中（除了Redhat和Fedora外），有時(shí)會(huì)將AArch64稱為ARM64。

Cortex-A 系列處理器現(xiàn)在包括在 ARMv8-A 和 ARMv7-A 中實(shí)現(xiàn)：

• ? Cortex-A5, Cortex-A7, Cortex-A8, Cortex-A9, Cortex-A15以及Cortex-A17處理器全部由 ARMv7-A 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
• ? Cortex-A53，Cortex-A57 和Cortex-A73處理器由 ARMv8-A 架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

ARMv8 處理器仍然支持為 ARMv7-A 處理器編寫的軟件（有一些例外）。這意味著，例如，為 ARMv7 Cortex-A 系列處理器編寫的 32 位代碼也可運(yùn)行在 ARMv8 處理器（如 Cortex-A57）上。但是，僅當(dāng) ARMv8 處理器處于 AArch32 執(zhí)行狀態(tài)時(shí)，代碼才會(huì)運(yùn)行。

此外，A64 的64 位指令集不能在 ARMv7 處理器上運(yùn)行，而只能在 ARMv8 處理器上運(yùn)行。

從32位到64位的變化The changes from 32 bits to 64 bits

64位的處理器其性能上有很大的提升，其中包括以下改變：

1.Larger register pool（更大的寄存器池）

A64 指令集提供了一些顯著的性能優(yōu)勢，其中包括一個(gè)更大的寄存器池。A64具有31個(gè)64bits通用寄存器和ARM Architecture Procedure Call Standard (AAPCS) 提供了性能上的加速，當(dāng)用戶在函數(shù)調(diào)用中需要傳遞四個(gè)以上參數(shù)（需要四個(gè)以上寄存器）時(shí)，在ARMv7中可能要使用棧，而在AArch64中，最多可以在寄存器中傳遞八個(gè)參數(shù)，因此可以增加性能，減少棧的使用。

2.Wider integer registers（具有更寬的整數(shù)寄存器）

更寬的整數(shù)寄存器使對 64 位數(shù)據(jù)運(yùn)行的代碼能夠更高效地工作。32 位處理器可能需要多個(gè)操作才能對 64 位數(shù)據(jù)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算。64 位處理器可能能夠在單個(gè)操作中執(zhí)行相同的任務(wù)，速度通常和以同一處理器執(zhí)行 32 位操作相同。因此，執(zhí)行許多 64 位大小操作的代碼速度明顯更快。

3.Larger virtual address spac（更大的虛擬地址空間）

64 位操作使應(yīng)用程序能夠使用更大的虛擬地址空間。雖然大型物理地址擴(kuò)展 （Large Physical Address Extension，LPAE） 將 32 位處理器的物理地址空間擴(kuò)展到 40 位，但它不會(huì)擴(kuò)展虛擬地址空間。這意味著即使使用 LPAE，單個(gè)應(yīng)用程序也僅限于 32 位 （4GB） 地址空間。這是因?yàn)榇说刂房臻g中的某些空間是為操作系統(tǒng)保留的。

較大的虛擬地址空間還支持內(nèi)存映射較大的文件。這是將文件內(nèi)容映射到線程的內(nèi)存映射。即使物理 RAM 可能不夠大，無法包含整個(gè)文件，也可能發(fā)生這種情況。

32位地址空間

作為32位的微處理器，ARM體系結(jié)構(gòu)所支持的最大尋址空間為4GB(2^32^字節(jié))， 可將該地址空間看作是大小為 2^32^ 個(gè)字節(jié)（8bit），這些字節(jié)的單元地址是一個(gè)無符號的32位數(shù)值，其取值范圍為0~2^32-1^。ARM地址空間也可以看作是2^30^個(gè)32位的字(1 word = 4 bytes)單元。這些字單元的地址可以被4整除，也就是說該地址的低兩位為00。地址為A的字?jǐn)?shù)據(jù)，包括地址為A，A+1，A+2，A+3這4個(gè)字節(jié)單元的內(nèi)容。

每執(zhí)行一條指令，當(dāng)前指令計(jì)數(shù)器加4個(gè)字節(jié)。

4.Larger physical address space（更大的物理地址空間）

在 32 位體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行的軟件可能需要在執(zhí)行時(shí)映射內(nèi)存中的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入輸出。具有更大的地址空間（使用 64 位指針）可避免此問題。

但是，使用 64 位指針確實(shí)會(huì)產(chǎn)生一些成本：同一段代碼通常比使用 32 位指針使用更多的內(nèi)存。

每個(gè)指針都存儲(chǔ)在內(nèi)存中，需要8個(gè)字節(jié)而不是4個(gè)字節(jié)。這聽起來可能微不足道，但可能會(huì)造成重大負(fù)擔(dān)。此外，與64 位相關(guān)的內(nèi)存空間使用量的增加，可能會(huì)導(dǎo)致緩存中命中（hit）率下降，這反過來又會(huì)降低性能。

• ? 64-bit pointers: 8 bytes
• ? 32-bit pointers: 4 bytes

ARMv8-A 架構(gòu)

ARM架構(gòu)可以追溯到1985年，自早期的ARM內(nèi)核以來，它已經(jīng)得到了巨大的發(fā)展，在每一步都增加了特性和功能。

ARMv4 and earlier

這些早期的處理器僅使用 ARM 32 位指令集。

ARMv4T

ARMv4T 架構(gòu)將 Thumb 16 位指令集添加到 ARM 32 位指令集中。這是第一個(gè)廣泛許可的架構(gòu)。它由ARM7TDMI?和ARM9TDMI?處理器實(shí)現(xiàn)。

ARMv5TE

ARMv5TE 架構(gòu)為 DSP 類型操作、飽和算術(shù)以及 ARM 和 Thumb 互通增加了改進(jìn)。ARM926EJ-S? 實(shí)現(xiàn)了這種架構(gòu)。

ARMv6

ARMv6 進(jìn)行了多項(xiàng)增強(qiáng)，包括對未對齊內(nèi)存訪問的支持、對內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)的重大更改以及對多處理器的支持。此外，還包括對 32 位寄存器中的字節(jié)或半字操作的 SIMD 操作的一些支持。ARM1136JF-S? 實(shí)現(xiàn)了這種架構(gòu)。ARMv6架構(gòu)還提供了一些可選的擴(kuò)展，特別是Thumb-2和安全擴(kuò)展（TrustZone?）。Thumb-2 將 Thumb 擴(kuò)展為混合長度的 16 位和 32 位指令集。

ARMv7-A

ARMv7-A 體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)制使用 Thumb-2 擴(kuò)展，并添加了高級 SIMD 擴(kuò)展 （NEON）。在 ARMv7 之前，所有內(nèi)核都遵循基本相同的架構(gòu)或功能集。為了幫助解決越來越多的不同應(yīng)用，ARM 引入了一組架構(gòu)配置：

• ? ARMv7-A提供了支持Linux等平臺(tái)操作系統(tǒng)所需的所有功能
• ? ARMv7-R 提供可預(yù)測的實(shí)時(shí)高性能。
• ? ARMv7-M 面向深度嵌入式微控制器。ARMv6 體系結(jié)構(gòu)中還添加了 M 配置，以啟用舊體系結(jié)構(gòu)的功能。ARMv6M 配置由低功耗的低成本微處理器使用。

ARMv8-A

ARMv8 體系結(jié)構(gòu)包括 32 位執(zhí)行和 64 位執(zhí)行。它引入了使用 64 位寬寄存器，同時(shí)保持了與現(xiàn)有 ARMv7 軟件的向后兼容性。

Development of the ARMv8 architecture

ARMv8-A 架構(gòu)引入了許多更改，從而可以設(shè)計(jì)出性能更高的處理器實(shí)現(xiàn)：

較大的物理地址

這使處理器能夠訪問超過 4GB 的物理內(nèi)存。

64 位虛擬尋址

這允許超過 4GB 限制的虛擬內(nèi)存。這對于使用內(nèi)存映射文件 I/O 或稀疏尋址的現(xiàn)代桌面和服務(wù)器軟件非常重要。

自動(dòng)事件信號

這可實(shí)現(xiàn)高能效、高性能的自旋鎖。

更大的寄存器文件

31 個(gè) 64 位通用寄存器可提高性能并減少堆棧使用。

高效的 64 位立即數(shù)生成

對文本池的需求較少。

較大的 PC 相對尋址范圍

一個(gè) +/-4GB 的尋址范圍，可在共享庫和位置獨(dú)立的可執(zhí)行文件中實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)尋址。

額外的 16KB 和 64KB 轉(zhuǎn)換粒度

這降低了Translation Lookaside Buffer (TLB)的未命中率和頁面瀏覽深度。

新的異常模型

這降低了操作系統(tǒng)和虛擬機(jī)管理程序軟件的復(fù)雜性。

高效的緩存管理

用戶空間緩存操作可提高動(dòng)態(tài)代碼生成效率。使用數(shù)據(jù)緩存零指令清除快速數(shù)據(jù)緩存(DC)。

硬件加速加密

提供 3× 到 10×的軟件加密性能提升。這對于小粒度解密和加密非常有用，這些小顆粒解密和加密太小而無法有效地裝載到硬件加速器，例如https。

Load-Acquire，Store-Release 指令

專為 C++11、C11、Java 內(nèi)存模型而設(shè)計(jì)。它們通過消除顯式內(nèi)存屏障指令來提高線程安全代碼的性能。

NEON 雙精度浮點(diǎn)高級 SIMD

這使得 SIMD 矢量化能夠應(yīng)用于更廣泛的算法集，例如科學(xué)計(jì)算、高性能計(jì)算 （High Performance Computing，HPC） 和超級計(jì)算機(jī)。

ARMv8-A 處理器：A53，A57和A73

Comparison of A53 and A73

A73:

Cortex-A73 processor implementation options

A73所有內(nèi)核共享一個(gè)公共 L2 緩存，并且每個(gè)內(nèi)核對所有參數(shù)具有相同的配置。

Cortex-A53 處理器

Cortex-A53 處理器是一款中檔低功耗（mid-range, low-power）處理器，在單個(gè)cluster中具有1到4個(gè)內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核都有一個(gè) L1 緩存子系統(tǒng)、一個(gè)可選的集成 GICv3/4 接口和一個(gè)可選的 L2 緩存控制器。Cortex-A53 處理器是一款高能效極高的處理器，能夠支持 32 位和 64 位代碼。它提供的性能明顯高于大獲成功的 Cortex-A7 處理器。它能夠部署為獨(dú)立的應(yīng)用處理器，或與Cortex-A57處理器配對，使用big.LITTLE 配置即可實(shí)現(xiàn)最佳性能、可擴(kuò)展性和能效。

Cortex-A53 processor

Cortex-A53 處理器具有以下特點(diǎn)：

• ? 按順序排列，八級流水線。
• ? 通過使用分層時(shí)鐘門控、電源域和高級保持模式，降低功耗。
• ? 通過重復(fù)執(zhí)行資源和雙指令解碼器，增強(qiáng)了dual-issue capability 。
• ? 功耗優(yōu)化的 L2 高速緩存設(shè)計(jì)可提供更低的延遲，并在性能與效率之間取得平衡。

Cortex-A57 處理器

Cortex-A57 處理器面向移動(dòng)和企業(yè)計(jì)算應(yīng)用，包括計(jì)算密集型 64 位應(yīng)用，如高端計(jì)算機(jī)、平板電腦和服務(wù)器產(chǎn)品。它可以與Cortex-A53處理器一起使用ARM big.LITTLE 配置，即可實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的性能和更高效的能源使用。

Cortex-A57 處理器具有與其他處理器（包括用于 GPU 計(jì)算的 ARM Mali? 系列圖形處理單元 （GPU））的緩存一致互操作性，并為高性能企業(yè)應(yīng)用提供可選的可靠性和可擴(kuò)展性功能。它提供比 ARMv7 Cortex-A15 處理器更高的性能，具有更高的能效。與上一代處理器相比，包含加密擴(kuò)展可將加密算法的性能提高 10 倍。

Cortex-A57 processor core

Cortex-A57 處理器完全實(shí)現(xiàn)了 ARMv8-A 架構(gòu)。它支持多核操作，在單個(gè)集群中具有一到四個(gè)內(nèi)核的多處理。通過 AMBA5 CHI 或 AMBA 4 ACE 技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)相干的 SMP 集群。調(diào)試和跟蹤可通過 CoreSight 技術(shù)獲得。

Cortex-A57 處理器具有以下特點(diǎn)：

• ? 無序的15 個(gè)以上的流水線。
• ? 節(jié)能功能包括way預(yù)測、tag減少和緩存查找抑制。
• ? 通過重復(fù)執(zhí)行資源提高峰值指令吞吐量。功耗優(yōu)化的指令解碼，具有本地化解碼，3-wide解碼帶寬。
• ? 性能優(yōu)化的 L2 高速緩存設(shè)計(jì)使cluster中的多個(gè)內(nèi)核能夠同時(shí)訪問 L2。

Cortex-A73 處理器

　這是ARM 2016年發(fā)布的最新A系列處理器，Cortex-A73支持全尺寸ARMv8-A構(gòu)架，包括128位 AMBR 4 ACE接口和ARM的big.LITTLE系統(tǒng)一體化接口，采用了目前最先進(jìn)的10nm技術(shù)制造，可以提供比Cortex-A72高出30%的持續(xù)處理能力，非常適合移動(dòng)設(shè)備和消費(fèi)級設(shè)備使用。

Cortex-A73

Example Cortex-A73 processor configuration