ARM新一代多核技術可延長智能手機電池壽命

架構完全兼容

在big.LITTLE技術中，要想將在一個內核上運行的軟件順利轉移到其他內核上，就需要大小兩種CPU內核的架構和功能完全相同。

因此，ARM公司使Cortex-A7的架構與Cortex-A15完全兼容。除了Cortex-A7的指令集架構（ISA）與Cortex-A15完全相同外，還將Cortex-A15中首次向ARM架構引進的虛擬化技術、ECC功能和LPAE等先進功能，直接移植到了用于低價位智能手機的Cortex-A7中。注重電力效率的Cortex-A7之所以配備許多乍看并不需要的先進功能，是為了實現big.LITTLE技術。

異質架構成主流

big.LITTLE技術被定位為支撐今后智能手機和平板終端應用處理器的核心技術。ARM公司在2011年10月發布的64bit架構“ARMv8”，尚未發布支持的CPU內核，估計要在2014年以后才能配備在設備上。而big.LITTLE技術是已經可以使用的技術，不久的將來就可以實用化。

目前雙核架構的智能手機用SoC，基本上都采用可多個排列相同CPU內核的同質架構。同質架構可采用通過多個內核運行單個OS的SMP（Symmetrical Multi Processing）架構，因此從軟件來看易于使用。但從電力效率來看，即使在不需要高性能的情況下，同質架構也不得不采用配備高速架構（可發揮峰值性能）的內核，這點與異質架構相比處于不利地位。

big.LITTLE技術雖然在物理上采用異質架構，但就軟件而言多個內核看起來就像一個。可以說是融合了異質架構與同質架構兩者優點的技術。

實際上，ARM公司公開的未來應用處理器發展藍圖，從中端到高端的智能手機都并用了Cortex-A15和Cortex-A7，因此估計會采用big.LITTLE技術（見圖1）。由此，智能手機在具備高性能的同時，還可延長電池壽命。作為實現這一點的王牌，big.LITTLE技術可以說是很有用的。

通過虛擬化技術掩蓋微妙的不同

big.LITTLE技術在內部也采用了頗有意思的封裝方法。這就是利用了虛擬化技術。

雖然Cortex-A7與Cortex-A15的ISA是相同的，但是兩者在物理上是不同的內核。如果只統一ISA的話，那么內核間還是會存在無法掩蓋的微妙不同。

例如，ARM架構中有名為“CP15”的寄存區，可存儲CPU內核的ID以及緩存構成的拓撲等信息。ID中包括封裝有相關CPU內核的企業ID，以及與CPU內核產品名稱相對應的型號等。關于這些信息，Cortex-A7與Cortex-A15必然不同。

big.LITTLE技術通過應用虛擬化技術來掩蓋這些不同。如前所述，Cortex-A7與Cortex-A15都采用了虛擬化技術。因此，在這些內核上運行的OS一旦訪問CP15寄存器，根據虛擬化機構的原理，就會發生異常陷阱（Exception Trap）。于是，控制任務便會自動轉移到OS以下模式運行的虛擬化軟件（Hypervisor）上。在Hypervisor上向OS等提示與物理CP15寄存器等不同的信息，由此可以掩蓋Cortex-A7與Cortex-A15之間在硬件上的不同。

利用虛擬化原理在軟件上“欺騙”OS和應用，由此看起來就像在完全相同的內核上運行一樣。ARM公司總裁Tudor Brown表示，“big.LITTLE技術的精髓在于雖然內核的物理性質不同，但從軟件來看卻完全相同”。

在Cortex-A7中封裝虛擬化技術，不僅是為了與前面提到的Cortex-A15確保兼容性，還是為了最終通過Hypervisor消除兩個內核間的微妙差異。

加速虛擬化技術在智能手機上的普及

ARM公司在2010年9月發布了該公司首款采用虛擬化技術的內核Cortex-A15，當時未必明確了在移動領域如何利用虛擬化技術。Cortex-A15不同于此前ARM公司的CPU內核產品，專門面向該公司近年著力發展的服務器領域。因此，估計是為了滿足該領域的需求，才在Cortex-A15中采用了虛擬化技術。

然而，big.LITTLE技術公布后發現，虛擬化技術實際上可以廣泛用于智能手機和平板終端上。ARM公司表示，“最初big.LITTLE項目是與虛擬化技術分別推進的，中途我們認識到可以利用虛擬化技術，于是將兩者融合在了一起”。以big.LITTLE技術以及Cortex-A7的引進為契機，此前一直與移動領域無緣的虛擬化技術，將標配在幾乎所有的智能手機和平板終端上（見圖1）。

在集群間控制一致性

在big.LITTLE技術中，要想使某項任務順利地從一個內核轉移到另一個內核，需要在硬件方面進行改進。具體要求是在不同內核間確保緩存的一致性（Coherency）。

在緩存的一致性控制方面，ARM公司網已經有了“MPCore”多核技術，可以對CPU內核內一次緩存的一致性進行控制。不過，MPCore以最大四核的同質架構多核為前提，不支持big.LITTLE技術這種異質架構多核。

因此，ARM公司針對big.LITTLE技術這種異質架構，在SoC上新設立“集群”（Cluster）這個單位。通過MPCore技術構成的同質架構多核以集群為單位匯總，當在SoC上同時配備不同種類的CPU內核時，需要另外設置新的集群。比如，分別設置一個配備兩個Cortex-A7的集群，以及配備兩個Cortex-A15的集群（圖2）。

集群間的緩存一致性，采用專用的IP內核“CCI（Cache Coherent Tnterconnect）-400”來確保。CCI-400在內部配備了交叉開關。CPU內核內一次緩存的一致性由MPCore技術控制，集群間二級緩存的一致性由CCI-400控制（表1）。

由于可以在Cortex-A15與Cortex-A7之間維持緩存的一致性，因此big.LITTLE技術可在約20μs內完成兩個內核間的任務轉移。20μs是將CPU內核內部多項寄存器信息轉移到其他內核上所需要的時間（圖2）。利用基于CCI-400的一致性控制，二級緩存數據可與CPU內核處理并行，從而自動轉移到其他內核上。