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        ARM內核全解析,從ARM7,ARM9到Cortex-A7,A8,A9,A12,A15到Cortex-A53,A57,A72

        2015-08-23 16:39:39 來源:本站原創

          以下總結一下近幾年來手機端較為主流的ARM處理器。

        以由高到低的方式來看,ARM處理器大體上可以排序為:

        Cortex-A72處理器、Cortex-A57處理器、Cortex-A53處理器、Cortex-A15處理器、Cortex-A12處理器、Cortex-A9處理器、Cortex-A8處理器、Cortex-A7處理器、Cortex-A5處理器、ARM11處理器、ARM9處理器、ARM7處理器

        再往低的部分手機產品中基本已經不再使用,這里就不再介紹。


        ● Cortex-A72處理器

        不久前,ARM發布了自己的下一代核心Cortex-A72,A72將會直接取代A57,定位高端市場。

        http://www.pm-marketingonline.com/uploadfile/2015/08/3_2015082317002214kK0.png


        Cortex-A72性能已達到PC級CPUARM從A15之后,執行大小核的架構,所謂的big.LITTLE,在低負載用小核心,高負載用大核心,平衡性能與功耗的矛盾。

        而這一次,ARM只發布了一個大核心A72,與其配套的小核心依然是上一代的A53,沒有進一步發展,雖然ARM此前已經宣稱,A53將順序執行架構做到了極致。但是我們不認為就沒有可升級的余地。ARM不更新的原因,可能是在小核心上,A53的性能已經夠了,進一步升級無意義。

        在這個A72的大核心上,ARM表示,Cortex-A72是其性能最出色、最先進的處理器,構建在Cortex-A57的基礎之上,性能可達Cortex-A15 3.5倍。不過,從架構圖和規格表上看,A72和A57并沒有本質的不同,仍舊最多四核心,一級二級的緩存容量都沒變,只是做了一些細節調整,比較明顯的變化是砍去了NEON SIMD引擎中的加密擴展功能,總線接口擴展到128bit。

        所以,A72的性能提升可能來自于微架構的改進,譬如分支預測的效率等等。

        A72號稱性能比A15處理器提升3.5倍,在同樣的工作負載下,功耗降低75%。搭配大小核心方案,功耗還能降低40%-60%看上去非常美好。

        不過,我們要知道,按照ARM這種性能算法,A57比A15也有1.9倍的性能提升。那是建立在20nm對28nm工藝的基礎之上的。同樣,A72這個所謂3.5倍的性能提升,也是建立在16nmfinFET對28nm的工藝優勢上。

        實際上,ARM的A57在同頻下相對于A15只有25%-30%的提升。1.9GHZ的A15跑specint2000,大約是1100分,1.7GHZ的A57跑specint2000是1250分。

        按照ARM的比例,3.5倍的A72相比1.9倍的A57只提升了1.84倍,估計同頻A72相對于A57大約也是25%左右的提升。也就是1.7Ghz的A72跑Specint2000大約在1550分。

        這個分數和蘋果的A8處理器差不多,而A8是1.4GHZ,ARM這個下一代的A72核心,同頻性能很可能還不如蘋果的A8。

        不過A8用在手機上只是雙核心,而A72起步就是四核心,在頻率上,A72號稱能達到2.5GHZ,所以總體性能A72的處理器還是有優勢的。不過等A72在2016年上市的時候,蘋果A10可能都在路上了。

        放到PC上去比較,A72大約還在酷睿2的等級,這個性能很不錯,但是不能與主流的Intel i7去比較,移動距離桌面還有很遠的距離。

        多核心效率和內存性能大幅提升

         CoreLink CCI-500最大的變化就是增加了一個“探聽過濾器”(Snoop Filter),從而使探聽控制不再局限于單個簇內部的CPU之間,可以擴展到整個處理器的所有核心。

        過去,ARM雖然支持多核心,但實際上是四個核心一個簇,簇內部是有偵聽的,可以解決緩存一致性的問題,而簇之間是沒有的,所以從四核心到八核心會有一定的性能下降。

        ARM提倡的大小核恰恰是八核心的,這次增加“探聽過濾器”可以提升多核心的性能。

        額外的開銷少了,內存的性能也跟著提升,ARM宣稱CoreLink CCI-500可以提升30%的內存性能。

        在內存帶寬上,CoreLink CCI-500提升到了四通道128-bit內存位寬。這讓采用ARM公版設計的廠商可以支持更寬的內存帶寬,進而支持更高分辨率的顯示設備。

        而過去,只有高通的處理器內存帶寬比較高,因為高通不使用ARM的一致性互聯架構,而是自己搞一套。而高通處理器的體驗也一直比較好。

        在核心支持上,最多支持的CPU簇也從2個增加到4個,每個簇可以支持四個處理器,這樣算最多可以支持16個處理器,可以用于一些高性能領域。手機上因為功耗原因估計還會是8核心(大小四核心)作為主流。

        對消費者來說,最實惠就是“探聽過濾器”帶來的效能提升和四通道128-bit內存位寬帶來的體驗提升。

        目前,海思、聯發科、瑞芯微等都已經購買了Cortex-A72的授權,預計2016年我們就能看到相關產品。怪獸即將來襲。


        ● Cortex-A57、A53處理器

           Cortex-A53、Cortex-A57兩款處理器屬于Cortex-A50系列,采用64位ARMv8架構。

          在A72發布之前, Cortex-A57是ARM最先進、性能最高的應用處理器,號稱可在同樣的功耗水平下達到當今頂級智能手機性能的三倍;而Cortex-A53是世界上能效最高、面積最小的64位處理器,同等性能下能效是當今高端智能手機的三倍。這兩款處理器還可整合為ARM big.LITTLE(大小核心伴侶)處理器架構,根據運算需求在兩者間進行切換,以結合高性能與高功耗效率的特點,兩個處理器是獨立運作的。

          應用案例:三星Exynos 5433,Marvell PXA1928,聯發科MT6752,高通驍龍810等 

        ● Cortex-A15處理器架構解析

           ARM Cortex-A15處理器隸屬于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架構。

           Cortex-A15 MPCore處理器具有無序超標量管道,帶有緊密耦合的低延遲2級高速緩存,該高速緩存的大小最高可達4MB。浮點和NEON媒體性能方面的其他改進使設備能夠為消費者提供下一代用戶體驗,并為 Web 基礎結構應用提供高性能計算。Cortex-A15處理器可以應用在智能手機、平板電腦、移動計算、高端數字家電、服務器和無線基礎結構等設備上。

           理論上,Cortex-A15 MPCore處理器的移動配置所能提供的性能是當前的高級智能手機性能的五倍還多。在高級基礎結構應用中,Cortex-A15 的運行速度最高可達2.5GHz,這將支持在不斷降低功耗、散熱和成本預算方面實現高度可伸縮的解決方案。

           應用案例:三星Exynos 5250。三星Exynos 5250芯片是首款A15芯片,應用在了最近發布的Chromebook和Nexus 10平板電腦上面。Exynos 5250的頻率是1.7GHz,采用32納米的HKMG工藝,配備了Mali-604 GPU,性能強大。另外據傳三星下一代Galaxy S4將會搭載四核版的Exynos 5450芯片組,同樣應用Cortex-A15內核。另外NVIDIA Tegra 4采用A15內核。


        ● Cortex-A12處理器架構解析

        2013中旬,ARM 發布了全新的Cortex-A12處理器,在相同功耗下,Cortex-A12的性能上比Cortex-A9提升了40%,同時尺寸上也同樣減小了30%。Cortex-A12也同樣能夠支持big.LITTLE技術,可以搭配Cortex-A7處理器進一步提升處理器的效能。

        Cortex-A12架構圖
        ARM表示Cortex-A12處理器未來將應用于大量的智能手機以及平板產品,但更加側重于中端產品。同時ARM也預計在2015年,這些中端產品在數量上將遠超過旗艦級別的智能手機及與平板。

        搭載Cortex-A12處理器的中端機在未來也將是非常有特點的產品,因為Cortex-A12能夠支持虛擬化、AMD TrustZone技術,以及最大1TB的機身存儲。這也就意味著未來搭載這一處理器的智能手機完全可以作為所謂的BYOD(Bring Your Own Device)設備使用,換句話說就是在作為自用手機的同時,還可以用作商務手機存儲商務內容。
        Mali-V500架構
        同時Cortex-A12也搭載了全新的Mali-T622繪圖芯片與Mali-V500視頻編解碼IP解決方案,同樣也是以節能為目標。這樣看來,定位中端市場,低功耗小尺寸,Cortex-A12最終必然會取代Cortex-A9。


        ● Cortex-A9處理器架構解析

           ARM Cortex-A9處理器隸屬于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架構。

           Cortex-A9 處理器的設計旨在打造最先進的、高效率的、長度動態可變的、多指令執行超標量體系結構,提供采用亂序猜測方式執行的 8 階段管道處理器,憑借范圍廣泛的消費類、網絡、企業和移動應用中的前沿產品所需的功能,它可以提供史無前例的高性能和高能效。

           Cortex-A9 微體系結構既可用于可伸縮的多核處理器(Cortex-A9 MPCore多核處理器),也可用于更傳統的處理器(Cortex-A9單核處理器)??缮炜s的多核處理器和單核處理器支持 16、32 或 64KB 4 路關聯的 L1 高速緩存配置,對于可選的 L2 高速緩存控制器,最多支持 8MB 的 L2 高速緩存配置,它們具有極高的靈活性,均適用于特定應用領域和市場。

           應用案例:德州儀器OMAP 4430/4460、Tegra 2、Tegra 3、新岸線NS115、瑞芯微RK3066、聯發科MT6577、三星 Exynos 4210、4412、華為K3V2等。另外高通APQ8064、MSM8960、蘋果A6、A6X等都可以看做是在A9架構基礎上的改良版本。


        ● Cortex-A8處理器架構解析

           ARM Cortex-A8處理器隸屬于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架構,是我們目前使用的單核手機中最為常見的產品。

           ARM Cortex-A8處理器是首款基于ARMv7體系結構的產品,能夠將速度從600MHz提高到1GHz以上。Cortex-A8處理器可以滿足需要在300mW以下運行的移動設備的功率優化要求;以及需要2000 Dhrystone MIPS的消費類應用領域的性能優化要求。

           Cortex-A8 高性能處理器目前已經非常成熟,從高端特色手機到上網本、DTV、打印機和汽車信息娛樂,Cortex-A8處理器都提供了可靠的高性能解決方案。

           應用案例:TI OMAP3系列、蘋果A4處理器(iPhone 4)、三星S5PC110(三星I9000)、瑞芯微RK2918、聯發科MT6575等。另外,高通的MSM8255、MSM7230等也可看做是A8的衍生版本。


        ● Cortex-A7處理器架構解析

           ARM Cortex-A7處理器隸屬于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架構,它的特點是在保證性能的基礎上提供了出色的低功耗表現。

           Cortex-A7處理器的體系結構和功能集與Cortex-A15 處理器完全相同,不同這處在于,Cortex-A7 處理器的微體系結構側重于提供最佳能效,因此這兩種處理器可在big.LITTLE(大小核大小核心伴侶結構)配置中協同工作,從而提供高性能與超低功耗的終極組合。單個Cortex-A7處理器的能源效率是ARM Cortex-A8處理器的5倍,性能提升50%,而尺寸僅為后者的五分之一。

           作為獨立處理器,Cortex-A7可以使2013-2014年期間低于100美元價格點的入門級智能手機與2010 年500美元的高端智能手機相媲美。這些入門級智能手機在發展中世界將重新定義連接和Internet使用。

           應用案例:全志Cortex-A7四核平板芯片,聯發科的MT6589。


        ● Cortex-A5處理器架構解析

           ARM Cortex-A5處理器隸屬于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架構,是能效最高、成本低的處理器。

           Cortex-A5處理器可為現有ARM9和ARM11處理器設計提供很有價值的遷移途徑,它可以獲得比ARM1176JZ-S更好的性能,比ARM926EJ-S更好的功效和能效。另外,Cortex-A5處理器不僅在指令以及功能方面與更高性能的Cortex-A8、Cortex-A9和Cortex-A15處理器完全兼容,同時還保持與經典ARM處理器(包括ARM926EJ-S、ARM1176JZ-S和 ARM7TDMI)的向后應用程序兼容性。

           應用案例:高通MSM7227A/7627A、高通MSM8225/8625。



        ● ARM11系列處理器架構解析

           ARM11系列包括了ARM11MPCore處理器、ARM1176處理器、ARM1156處理器、ARM1136處理器,它們是基于ARMv6架構,分別針對不同應用領域。ARM1156處理器主要應用在高可靠性和實時嵌入式應用領域,與手機關聯不大,此處略去介紹。

           ARM11 MPCore使用多核處理器結構,可實現從1個內核到4個內核的多核可擴展性,從而使具有單個宏的簡單系統設計可以集成高達單個內核的4倍的性能。Cortex-A5處理器ARM11MPCore的相關后續產品。

           ARM1176處理器主要應用在智能手機、數字電視和電子閱讀器中,在這些領域得到廣泛部署,它可提供媒體和瀏覽器功能、安全計算環境,在低成本設計的情況下性能高達1GHz。

           ARM1136處理器包含帶媒體擴展的ARMv6 指令集、Thumb代碼壓縮技術以及可選的浮點協處理器。ARM1136是一個成熟的內核,作為一種應用處理器廣泛部署在手機和消費類應用場合中。在采用 90G工藝時性能可達到600MHz以上,在面積為2平方毫米且采用65納米工藝時可達到1GHz。

           應用案例:高通MSM7225(HTC G8)、MSM7227、Tegra APX 2500、博通BCM2727(諾基亞N8)、博通BCM2763(諾基亞PureView 808)、 Telechip 8902(平板電腦)。


        ● ARM9系列和ARM7系列處理器架構解析

           ARM9系列處理器系列包括ARM926EJ-S、ARM946E-S和 ARM968E-S處理器。其中前兩者主要針對嵌入式實時應用,我們這里就主要針對ARM926EJ-S進行介紹。

           ARM926EJ-S基于ARMv5TE架構,作為入門級處理器,它支持各種操作系統,如Linux、Windows CE和Symbian。ARM926EJ-S 處理器已授權于全球100多家硅片供應商,并不斷在眾多產品和應用中得到成功部署,應用廣泛。

           應用案例:TI OMAP 1710。諾基亞N73、諾基亞E65、三星SGH-i600等手機采用的都是該處理器。



        ● ARM7系列處理器

           ARM7系列處理器系列包括ARM7TDMI-S(ARMv4T架構)和ARM7EJ-S(ARMv5TEJ架構),最早在1994推出,相對上面產品來說已經顯舊。雖然現在ARM7處理器系列仍用于某些簡單的32位設備,但是更新的嵌入式設計正在越來越多地使用最新的ARM處理器,這些處理器在技術上比ARM 7系列有了顯著改進。


           作為目前較舊的一個系列,ARM7處理器已經不建議繼續在新品中使用。它究竟有多老呢?上面的Apple eMate 300使用的就是一款25MHz的ARM7處理器,夠古老了吧?

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