ARM移动处理器的架构解析

黄宇锴

摘要：由于电池和散热的限制，移动应用处理器不可能像台式处理器那样相对较少地考虑耗

电问题，对移动应用处理器来说，所有的一切都得围绕一个词进行：省电。。

关键词：ARM架构、ARM Cortex-A15、Krait

中图分类号： TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

随着半导体工艺的日趋先进，智能手机（Smartphone 或者 Superphone）、平板电脑（Tablet 或者 Pad）已经成为许多网友最常使用、最多关注、更新最快的电子消费产品，高度便携性是这类产品的最关键成功原因。

所谓便携性自然是指产品必须足够轻便而且需要有足够的续航能力，因此这就要求产品的原件必须足够省电，只有这样才能减少散热和电池体积这两个最占体积和重量的问题。因此对于传统的 CPU 由于功耗问题不能完全适用于手机、平板。

按照 ISA（指令集架构）划分，因为目前的手机、平板等移动设备的 CPU 无非是 ARM、Intel/AMD 两大阵营，而就是应为功耗的原因。在移动设备中ARM几乎占了统治的地位。 下面就通过对现在市场中的最新的两款ARM架构进行解析。

1 ARM Cortex-A15 内核微架构特点

和 Cortex-A9 相比，Cortex-A15 有非常明显的变化：

（1）整数流水线最短工位数达到 15 级，管芯面积占用比 Cortex-A9 高一倍。

（2）采用三路超标量微架构，可以每个周期取指四条指令，解码器每个周期可以为发送单元提供 3 条指令，而指令发射单元可以乱序提供最高 8 个微操作供执行单元运行。

相比之下，A9 的解码器只能每周期跑两条指令，派发单元每周期派发 4 个微操作给执行单元。

（3）Cortex-A15 的动态分支预测技术和 Cortex-A8/A9 差不多，但是 A15 引入了一个 64 条目的 microBTB，而此前的 A8/A9 并不具备这样的分层结构。动态分支预测能力是影响现代风格处理器的关键因素之一，像 Pentium 4 的 BTB 是 4K 条目，SandyBridge 据说达到 8K～16K。

虽然 A15 的两级 BTB 条目总数较 A8/A9 少，但是 A15 的 Return Stack 条目数从 8 条增加到了 18 条，取指带宽从之前的 64-bit 提升到 128-bit，而且完全支持边界非对齐地址的拾取。

（4）Cortex-A15 支持 VFPv4，具备硬件 FMA 指令执行，可以在同频下提供两倍的峰值浮点性能。此外，A15 还具备硬件除法指令，在 A9 上这需要接近 50 个周期来执行。

（5）A15 的周边总线为 AMBA4，128-bit master 界面，A9 的 AMBA3 的 master 界面是 64-bit。

（6）虽然 ARMv7 是 32-bit ISA，但是现在 Cortex-A15 支持 40-bit 物理定址（类似于当年的 Pentium Pro 和 Atlhon），而且 L1/L2 Cache 具备 ECC，因此理论上适用于服务器级应用。

（7）A15 和 A9 都有一个类似的 small loop 缓存，用于存放小循环，让执行单元无需访问指令 cache 就能抓到指令。在 A9 上它可以存放大小为 64 字节的指令。

而在 A15 上则是 32 条目，可以存放两条前转分支和一条后转分支，而且 A15 的 small loop 缓存存放的是已经解码的微操作，这意味着连解码步骤也能节省掉。

Cortex A15 的整数性能为 3.5～4.01 DMIPS/MHz，相比起 A9 的 2.5 DMIPS/MHz 和 A8 的 2.0 DMIPS/MHz 有明显的改进，不过因为三路超标量而带来的各种资源增加，A15 需要更先进的制程（32 纳米或更先进）才能在手机、平板上变得比较适用。

2 高通 Krait 内核微架构特点

Krait 微架构是高通第四代 Snapdragon（骁龙）处理器所搭配的 CPU 内核微架构，是 ARMv7 架构的实现，属于高通的 ARM 架构级授权、自行研发的处理器内核微架构。

Krait 的前身是 Scorpion，在产品布局上它和 Scorpion 有些类似，例如 Scorpion 定位于 Cortex-A8 和 Cortex-A9，而 Krait 的定位也是类似，即 Cortex-A9 和 Cortex-A15 之间，具备一些 Cortex-A15 的特征。

例如 L0 cache（Cortex-A15 上有类似作用的 loop buffer，相当于 L0 I-cache，指令调度器无需经过解码器就能抓到小循环的微操作指令）、三路超标量、VFP4 浮点单元、128-bit SIMD 处理能力（高通称 SIMD 单元为 VeNum，ARM 自己则称之为 NEON）以及基于 A15 同级的半导体制程节点。至于有人说 Krait 是 A9 的改进版，这样的观点我很难认同，它和 Scorpion 都类似于当年 DEC 获得 ARMv4 ISA 授权而自行研发的微架构。

不过另一方面，Krait 的乱序执行要逊色于 Cortex-A15，后者具备八个指令发射端口和八个执行端口，每一个执行端口都对应一个（准）保留站（有些类似于 AMD K7-K10），而 Krait 只有四个指令发射端口和七个执行端口，并且采用的是类似 Cortex-A9 或者说 Pentitum Pro 方式的单个大规模指令发射队列单元。

3 总结

由于电池和散热的限制，移动应用处理器不可能像台式处理器那样相对较少地考虑耗电问题，对移动应用处理器来说，所有的一切都得围绕一个词进行：省电。省电不只光靠制程上的改进，还有芯片本身的设计也是极为重要的，

参考文献

[1] 吴春华. 基于ARM和uClinux的嵌入式系统的构建研究[D]. 浙江大学 2004

[2] 续蕾. RISC架构下的ARM微处理器应用研究[J]. 计算机与信息技术. 2008（07）

摘要：由于电池和散热的限制，移动应用处理器不可能像台式处理器那样相对较少地考虑耗

电问题，对移动应用处理器来说，所有的一切都得围绕一个词进行：省电。。

关键词：ARM架构、ARM Cortex-A15、Krait

中图分类号： TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

随着半导体工艺的日趋先进，智能手机（Smartphone 或者 Superphone）、平板电脑（Tablet 或者 Pad）已经成为许多网友最常使用、最多关注、更新最快的电子消费产品，高度便携性是这类产品的最关键成功原因。

所谓便携性自然是指产品必须足够轻便而且需要有足够的续航能力，因此这就要求产品的原件必须足够省电，只有这样才能减少散热和电池体积这两个最占体积和重量的问题。因此对于传统的 CPU 由于功耗问题不能完全适用于手机、平板。

按照 ISA（指令集架构）划分，因为目前的手机、平板等移动设备的 CPU 无非是 ARM、Intel/AMD 两大阵营，而就是应为功耗的原因。在移动设备中ARM几乎占了统治的地位。 下面就通过对现在市场中的最新的两款ARM架构进行解析。

1 ARM Cortex-A15 内核微架构特点

和 Cortex-A9 相比，Cortex-A15 有非常明显的变化：

（1）整数流水线最短工位数达到 15 级，管芯面积占用比 Cortex-A9 高一倍。

（2）采用三路超标量微架构，可以每个周期取指四条指令，解码器每个周期可以为发送单元提供 3 条指令，而指令发射单元可以乱序提供最高 8 个微操作供执行单元运行。

相比之下，A9 的解码器只能每周期跑两条指令，派发单元每周期派发 4 个微操作给执行单元。

（3）Cortex-A15 的动态分支预测技术和 Cortex-A8/A9 差不多，但是 A15 引入了一个 64 条目的 microBTB，而此前的 A8/A9 并不具备这样的分层结构。动态分支预测能力是影响现代风格处理器的关键因素之一，像 Pentium 4 的 BTB 是 4K 条目，SandyBridge 据说达到 8K～16K。

虽然 A15 的两级 BTB 条目总数较 A8/A9 少，但是 A15 的 Return Stack 条目数从 8 条增加到了 18 条，取指带宽从之前的 64-bit 提升到 128-bit，而且完全支持边界非对齐地址的拾取。

（4）Cortex-A15 支持 VFPv4，具备硬件 FMA 指令执行，可以在同频下提供两倍的峰值浮点性能。此外，A15 还具备硬件除法指令，在 A9 上这需要接近 50 个周期来执行。

（5）A15 的周边总线为 AMBA4，128-bit master 界面，A9 的 AMBA3 的 master 界面是 64-bit。

（6）虽然 ARMv7 是 32-bit ISA，但是现在 Cortex-A15 支持 40-bit 物理定址（类似于当年的 Pentium Pro 和 Atlhon），而且 L1/L2 Cache 具备 ECC，因此理论上适用于服务器级应用。

（7）A15 和 A9 都有一个类似的 small loop 缓存，用于存放小循环，让执行单元无需访问指令 cache 就能抓到指令。在 A9 上它可以存放大小为 64 字节的指令。

而在 A15 上则是 32 条目，可以存放两条前转分支和一条后转分支，而且 A15 的 small loop 缓存存放的是已经解码的微操作，这意味着连解码步骤也能节省掉。

Cortex A15 的整数性能为 3.5～4.01 DMIPS/MHz，相比起 A9 的 2.5 DMIPS/MHz 和 A8 的 2.0 DMIPS/MHz 有明显的改进，不过因为三路超标量而带来的各种资源增加，A15 需要更先进的制程（32 纳米或更先进）才能在手机、平板上变得比较适用。

2 高通 Krait 内核微架构特点

Krait 微架构是高通第四代 Snapdragon（骁龙）处理器所搭配的 CPU 内核微架构，是 ARMv7 架构的实现，属于高通的 ARM 架构级授权、自行研发的处理器内核微架构。

Krait 的前身是 Scorpion，在产品布局上它和 Scorpion 有些类似，例如 Scorpion 定位于 Cortex-A8 和 Cortex-A9，而 Krait 的定位也是类似，即 Cortex-A9 和 Cortex-A15 之间，具备一些 Cortex-A15 的特征。

例如 L0 cache（Cortex-A15 上有类似作用的 loop buffer，相当于 L0 I-cache，指令调度器无需经过解码器就能抓到小循环的微操作指令）、三路超标量、VFP4 浮点单元、128-bit SIMD 处理能力（高通称 SIMD 单元为 VeNum，ARM 自己则称之为 NEON）以及基于 A15 同级的半导体制程节点。至于有人说 Krait 是 A9 的改进版，这样的观点我很难认同，它和 Scorpion 都类似于当年 DEC 获得 ARMv4 ISA 授权而自行研发的微架构。

不过另一方面，Krait 的乱序执行要逊色于 Cortex-A15，后者具备八个指令发射端口和八个执行端口，每一个执行端口都对应一个（准）保留站（有些类似于 AMD K7-K10），而 Krait 只有四个指令发射端口和七个执行端口，并且采用的是类似 Cortex-A9 或者说 Pentitum Pro 方式的单个大规模指令发射队列单元。

3 总结

由于电池和散热的限制，移动应用处理器不可能像台式处理器那样相对较少地考虑耗电问题，对移动应用处理器来说，所有的一切都得围绕一个词进行：省电。省电不只光靠制程上的改进，还有芯片本身的设计也是极为重要的，

参考文献

[1] 吴春华. 基于ARM和uClinux的嵌入式系统的构建研究[D]. 浙江大学 2004

[2] 续蕾. RISC架构下的ARM微处理器应用研究[J]. 计算机与信息技术. 2008（07）

摘要：由于电池和散热的限制，移动应用处理器不可能像台式处理器那样相对较少地考虑耗

电问题，对移动应用处理器来说，所有的一切都得围绕一个词进行：省电。。

关键词：ARM架构、ARM Cortex-A15、Krait

中图分类号： TP3 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）01（B）-0000-00

随着半导体工艺的日趋先进，智能手机（Smartphone 或者 Superphone）、平板电脑（Tablet 或者 Pad）已经成为许多网友最常使用、最多关注、更新最快的电子消费产品，高度便携性是这类产品的最关键成功原因。

所谓便携性自然是指产品必须足够轻便而且需要有足够的续航能力，因此这就要求产品的原件必须足够省电，只有这样才能减少散热和电池体积这两个最占体积和重量的问题。因此对于传统的 CPU 由于功耗问题不能完全适用于手机、平板。

按照 ISA（指令集架构）划分，因为目前的手机、平板等移动设备的 CPU 无非是 ARM、Intel/AMD 两大阵营，而就是应为功耗的原因。在移动设备中ARM几乎占了统治的地位。 下面就通过对现在市场中的最新的两款ARM架构进行解析。

1 ARM Cortex-A15 内核微架构特点

和 Cortex-A9 相比，Cortex-A15 有非常明显的变化：

（1）整数流水线最短工位数达到 15 级，管芯面积占用比 Cortex-A9 高一倍。

（2）采用三路超标量微架构，可以每个周期取指四条指令，解码器每个周期可以为发送单元提供 3 条指令，而指令发射单元可以乱序提供最高 8 个微操作供执行单元运行。

相比之下，A9 的解码器只能每周期跑两条指令，派发单元每周期派发 4 个微操作给执行单元。

（3）Cortex-A15 的动态分支预测技术和 Cortex-A8/A9 差不多，但是 A15 引入了一个 64 条目的 microBTB，而此前的 A8/A9 并不具备这样的分层结构。动态分支预测能力是影响现代风格处理器的关键因素之一，像 Pentium 4 的 BTB 是 4K 条目，SandyBridge 据说达到 8K～16K。

虽然 A15 的两级 BTB 条目总数较 A8/A9 少，但是 A15 的 Return Stack 条目数从 8 条增加到了 18 条，取指带宽从之前的 64-bit 提升到 128-bit，而且完全支持边界非对齐地址的拾取。

（4）Cortex-A15 支持 VFPv4，具备硬件 FMA 指令执行，可以在同频下提供两倍的峰值浮点性能。此外，A15 还具备硬件除法指令，在 A9 上这需要接近 50 个周期来执行。

（5）A15 的周边总线为 AMBA4，128-bit master 界面，A9 的 AMBA3 的 master 界面是 64-bit。

（6）虽然 ARMv7 是 32-bit ISA，但是现在 Cortex-A15 支持 40-bit 物理定址（类似于当年的 Pentium Pro 和 Atlhon），而且 L1/L2 Cache 具备 ECC，因此理论上适用于服务器级应用。

（7）A15 和 A9 都有一个类似的 small loop 缓存，用于存放小循环，让执行单元无需访问指令 cache 就能抓到指令。在 A9 上它可以存放大小为 64 字节的指令。

而在 A15 上则是 32 条目，可以存放两条前转分支和一条后转分支，而且 A15 的 small loop 缓存存放的是已经解码的微操作，这意味着连解码步骤也能节省掉。

Cortex A15 的整数性能为 3.5～4.01 DMIPS/MHz，相比起 A9 的 2.5 DMIPS/MHz 和 A8 的 2.0 DMIPS/MHz 有明显的改进，不过因为三路超标量而带来的各种资源增加，A15 需要更先进的制程（32 纳米或更先进）才能在手机、平板上变得比较适用。

2 高通 Krait 内核微架构特点

Krait 微架构是高通第四代 Snapdragon（骁龙）处理器所搭配的 CPU 内核微架构，是 ARMv7 架构的实现，属于高通的 ARM 架构级授权、自行研发的处理器内核微架构。

Krait 的前身是 Scorpion，在产品布局上它和 Scorpion 有些类似，例如 Scorpion 定位于 Cortex-A8 和 Cortex-A9，而 Krait 的定位也是类似，即 Cortex-A9 和 Cortex-A15 之间，具备一些 Cortex-A15 的特征。

例如 L0 cache（Cortex-A15 上有类似作用的 loop buffer，相当于 L0 I-cache，指令调度器无需经过解码器就能抓到小循环的微操作指令）、三路超标量、VFP4 浮点单元、128-bit SIMD 处理能力（高通称 SIMD 单元为 VeNum，ARM 自己则称之为 NEON）以及基于 A15 同级的半导体制程节点。至于有人说 Krait 是 A9 的改进版，这样的观点我很难认同，它和 Scorpion 都类似于当年 DEC 获得 ARMv4 ISA 授权而自行研发的微架构。

不过另一方面，Krait 的乱序执行要逊色于 Cortex-A15，后者具备八个指令发射端口和八个执行端口，每一个执行端口都对应一个（准）保留站（有些类似于 AMD K7-K10），而 Krait 只有四个指令发射端口和七个执行端口，并且采用的是类似 Cortex-A9 或者说 Pentitum Pro 方式的单个大规模指令发射队列单元。

3 总结

由于电池和散热的限制，移动应用处理器不可能像台式处理器那样相对较少地考虑耗电问题，对移动应用处理器来说，所有的一切都得围绕一个词进行：省电。省电不只光靠制程上的改进，还有芯片本身的设计也是极为重要的，

参考文献

[1] 吴春华. 基于ARM和uClinux的嵌入式系统的构建研究[D]. 浙江大学 2004

[2] 续蕾. RISC架构下的ARM微处理器应用研究[J]. 计算机与信息技术. 2008（07）