ARM核流水線——ARM7，ARM9E，ARM11，Cortex-A系列處理器
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參考ARM的網站http://www.arm.com/about/company-profile/index.php，ARM公司成立于1990年,目前已經銷售了超過150億個芯片，并向超過200多加公司銷售了超過600個處理器的授權，目前全世界有超過95%的手機以及超過25%的消費電子產品使用ARM作為處理器核心。
本文引用地址：http://www.104case.com/article/201611/317422.htmARM(Advanced RISC Machines)是專注于RISC(Reduced Instruction Set computer)架構的處理器公司，最早的ARM1原型是1985年在英國劍橋的Acorn公司設計，并由VLSI生產，早期的ARM1,ARM2,ARM250,ARM3..的處理器都被Acorn這家公司作為計算機處理核心。
目前處理器架構中，主要有1940年代提出的Von Neumann提供的記憶體架構，讓程序和數據共用總線，之后的Harvard架構則讓程序和數據使用不同的架構，好處是可以讓程序和數據同事從存儲器內操作。早期的ARM7跟8051一般是采用Von Neumann架構，一塊cache供指令與數據存取，而目前新的微處理器架構(例如:ARM11 or Cortex A)通常都采用Harvard架構，也就是處理器會支持I-Cache與D-Cache，區分指令和數據的總線操作，提高處理器效率。(參考文章:http://en.wikipedia.org/wiki/ARM7andhttp://en.wikipedia.org/wiki/Harvard_architecture).有關ARM處理器的馮諾依曼和哈佛架構可以參考網頁http://stenlyho.blogspot.com/2008/08/armcpu.html,如下所示
Processor Family | #of pipeline stages | Memory Organization | Clock Rate | MIPS/MHz |
ARM6 | 3 | Von Neumann | 25MHz | |
ARM7 | 3 | Von Neumann | 66MHz | 0.9 |
ARM8 | 5 | Von Neumann | 72MHz | 1.2 |
ARM9 | 5 | Harvard | 200MHz | 1.1 |
ARM10 | 6 | Harvard | 400MHz | 1.25 |
StrongARM | 5 | Harvard | 233MHz | 1.15 |
ARM11 | 8 | Von Neumann/Harvard | 550MHz | 1.2 |
ARM是采用RISC精簡指令集(Reduced Instruction Set Computing)架構的處理器，RISC架構主要選擇使用頻率較高的簡單指令,避免復雜指令,使用固定長度的指令編碼(支持32bits,16bits或16/32bits混合),單周期指令,便于Pipeline的操作執行,并通過大量暫存器,讓邏輯處理指令只對暫存器進行操作,只有特定載入/儲存的指令可以存取存儲器內容.相比CISC架構,會隨著需求,不斷的加入新的指令集,使得架構越來越復雜,實際應用中,也并非所有的指令都是常被使用的,如下以CSIC架構的x86指令集為例,指令集呈現不固定長度的方式,如下例子有1,2,7與11 bytes的例子
(1bytes)0×48 = dec eax
(2bytes)0×89 F9= mov ecx,edi
(7bytes)0x8B BC 24 A4 01 00 00 = mov edi,dword ptr [esp+000001A4h]
(11bytes)0×81 BC 24 14 01 00 00 FF 00 00 00 = cmp dword ptr [esp+00000114h],0FFh
ARM通過Pipeline的方式加速指令集的處理,在Pipeline執行階段,如果發生中斷,也會把Pipeline中的指令執行完畢才進入中斷,如下所示ARM7支持如下的3級Pipeline
Fetch → Decode → Execute
其中
Fetch | 進行指令的讀取動作 |
Decode | Thumb->ARM指令Decompress,ARM指令解碼,暫存器選擇 |
Execute | 進行暫存器/存儲器讀取,算術邏輯運算與暫存器/存儲器回寫動作 |
每一個CPU周期,處理器都可以同時處理Fetch,Decode,Execute這三個動作,而非把一個指令從Fetch開始到執行完后,才處理下一個指令周期,如下圖所示
Time | Fetch | Decode | Execute |
Cycle#1 | Instruction#1 | ||
Cycle#2 | Instruction#2 | Instruction#1 | |
Cycle#3 | Instruction#3 | Instruction#2 | Instruction#1 |
Cycle#4 | Instruction#4 | Instruction#3 | Instruction#2 |
Cycle#5 | Instruction#5 | Instruction#4 | Instruction#3 |
Cycle#6 | Instruction#6 | Instruction#5 | Instruction#4 |
為了避免在非載入存儲器階段,讓運算指令進行存儲器的存取,而導致Pipeline可重疊執行的能力被破壞，ARM只允許特定載入儲存指令讀寫存儲器的資料.早期的ARM6,ARM7有3級的Pipeline，到了ARM8、ARM9時為5級的Pipeline；之后的ARM11則為8級的Pipeline；不過Pipeline過深不一定就能帶來更高的效益，如果程序流程中遇到分支(例如Branch到另一個程序塊)，就會導致Pipeline中的資料失效而要重新進行指令Fetch的動作.
簡單來說，Pipeline就是把指令的處理分成幾個不同的步驟，例如
ARM9支持如下的5級Pipeline
Fetch → Decode → Execute→ Memory→ Write Back
其中
Fetch | 進行指令的讀取(Fetch)動作 |
Decode | 進行ARM/Thumb指令解碼與暫存器的讀取 |
Execute | 進行邏輯運算與存儲器存取位址計算動作 |
Memory | 讀取或寫回存儲器資料 |
Write Back | 將運算或是Load結果回寫暫存器中 |
ARM10之后有支持Branch Prediction以減少在Pipeline執行期間因為Branch動作導致Pipeline失效Flush的機會,支持如下的6級Pipeline
Fetch→ Issue → Decode → Execute→ Memory→ Write Back
其中
Fetch | 進行Branch Predictor指令分支預測,指令位址計算,與指令的讀取(Fetch)動作 |
Issue | ARM/Thumb指令解碼,若非ARM/Thumb有效指令,就通過Coprocessor Signal判斷是否為Coprocessor指令 |
Decode | 暫存器的讀取,Result Forward,ScoreBoard |
Execute | 進行算術邏輯運算與Branch/Data存取存儲器位址計算,乘法運算 |
Memory | 讀取或寫回存儲器資料,Coprocessor資料存取,乘法相加處理 |
Write Back | 將運算或是Load結果回寫暫存器中 |
ARM11采用Scalar架構的Pipeline,并在Issue階段支持ALU(arithmetic logic unit)，MAC(multiply/accumulate)與Load/Store分成Pipeline的流水線，可以在一個Cycle分發一個對應的處理器動作到一個Pipeline，如下所示的8級Scalar Pipeline (ARM1156T2-S支持9級的Pipeline,其中Fetch Pipeline擴充為3級，可以參考網頁
http://infocenter.arm.com/help/index.jsp?topic=/com.arm.doc.ddi0338g/I1002919.html)
Fetch#1→ Fetch#2→ Decode→ISS (ALU Pipeline)→ Shifter→ALU→ SAT→ Write Back
______________________________(MAC Pipeline) → MAC1→MAC2→ MAC3→ Write Back
______________________________(Load/Store Pipeline)→ LS Add→DC1→ DC2→ Write Back
跟之前版本相比ARM11用了兩個Fetch Pipeline階段去支持兩種指令分支預測(Branch Prediction)的機制，第一個Fetch Pipeline階段會根據歷史記錄進行動態的指令分支預測(Dynamic Branch Prediction)，總共記錄64次，4種狀態(Strongly taken,Weakly taken,Weakly not-taken and Strongly non-taken)的分支((Branch)目標存儲器位址快取(BTAC,Branch-Target Address Cache)記錄近期指令分支的情況.第二個Fetch Pipeline階段進行靜態的指令分支預測(Static Branch Prediction)，會處理不在第一階段范圍中的分支預測存儲器位址，命中率高的指令分支預測(Branch Prediction)可以避免Pipeline失效重置的問題，讓處理器的運作效率更高。根據參考的資料ARM11的Dynamic與Static Branch Prediction在一般執行情況下可以有85%的命中率，大多數的情況可以介于80%-95%之間(取決于程序的大小)。
簡介如下,
#1 | Fetch#1 | 進行Dynamic Branch Prediction,指令位址計算,與指令的讀取(Fetch)動作 | |||||
#2 | Fetch#2 | 進行Static Branch Prediction | |||||
#3 | Decode | ARM/Thumb指令解碼,若非ARM/Thumb有效指令,就通過Coprocessor Signal判斷是否為Coprocessor指令 Static BPR Stack | |||||
#4 | ISS | 暫存器的讀取,與指令執行路徑分派,有三條路徑邏輯運算ALU Pipeline,乘法累加MAC Pipeline,與資料存取Load/Store Pipeline. | |||||
ALU Pipeline | MAC Pipeline | Load/Store Pipeline | |||||
#5 | Shifter | 對邏輯運算指令操作單元(operand)進行Shift | MAC1 | 第1階段乘法累加操作 | LS Add | 計算產生Load/Store操作的存儲器位址 | |
#6 | ALU | 進行整數算術邏輯運算 | MAC2 | 第2階段乘法累加操作 | DC1 | 第1階段Data Cache存取 | |
#7 | SAT | 儲存運算結果 | MAC3 | 第3階段乘法累加操作 | DC2 | 第2階段Data Cache存取 | |
#8 | Write Back | 將運算或是Load結果回寫暫存器中 | |||||
ARM Cortext A系列的架構,在這架構下ARM導入了Superscalar架構的Pipeline，讓處理器可以在一個周期平行處理一個以上的指令集。以Cortex A8為例，支持13級的整數Pipeline與10級的NEON多媒體指令集Pipeline，以整數處理的指令集為例，Cortex A8支持Dual-Issue，In-Order Pipeline，不同于之前的ARM核心一次只能處理一個整數處理指令集，Cortex A8可以同時Issue兩個整數處理指令集，并在一個周期中通過兩個整數算術邏輯單元Pipeline平行處理這兩個指令集.
13-Stage Integer Pipeline | 10-Stage NEON Pipeline | ||||||||||||||||||||||
F#0 | F#1 | F#2 | D#0 | D#1 | D#2 | D#3 | D#4 | E#0 | E#1 | E#2 | E#3 | E#4 | E#5 | M#0 | M#1 | M#2 | M#3 | N#1 | N#2 | N#3 | N#4 | N#5 | N#6 |
Instruction Fetch | Instruction Decode withDual-Issues | Architectural Register File | ALU/MUL Pipeline 0 | NEON Queue | NEON Decode | NEON File | Integer ALU Pipe | ||||||||||||||||
ALU Pipeline 1 | Integer MUL Pipe | ||||||||||||||||||||||
Load/Store Pipeline 0 or 1 | Integer Shift Pipe | ||||||||||||||||||||||
None-IEEE FP Add Pipe | |||||||||||||||||||||||
None-IEEE FP Mul Pipe | |||||||||||||||||||||||
IEEE FP Engine | |||||||||||||||||||||||
Load/Store Permute Pipe | |||||||||||||||||||||||
在Cortex A8架構下，有兩個ALU Pipeline，ALU 0與ALU1是對稱的，可以同時處理兩個邏輯運算，由于Pipeline的特性在使用上，乘法需求的指令會跟ALU 0成對(也就是說在這條Pipeline 0連續處理有關整數邏輯運算與乘法相關的指令)，而Load/Store的指令則適合跟ALU 0或1兩者任一一起成對操作。
其中
13-Stage Integer Pipeline | 0-Stage | F#0 | 用來產生要Fetch指令的位址,在文件中這個階段并不納入13級的Pipeline中. (AGC,Address Generator Unit) | |||||||||
1-Stage | F#1 | RAM+TLB , 支持兩個層級的全域歷史指令分支預測(Global History Branch Preditor)分別為 1,BTB(Branch Target Buffer) 能用來判斷目前所要Fetch的位址是否為分支(Branch)指令，以及所要調到的目標存儲器位址，目前總共可以記錄512筆資料,若BTB命中,接下來就會進行GHB的動作. 2,GHB(Global History Buffer) 包含4096個2bits計數器，用來編碼分支預測的強度與方向。GHB會以10bits長度定址最近十次分支的位址，與4bits的PC(Program Counter)值. 此外，Return Stack(RS)會記錄8次32bits Link Register的值，當發現有關于函式返回(Return)相對指令時，Return Stack中所記錄的最近8次Link Register資料就可以幫助Dynamic Branch Predictor預測可能的分支結果. | ||||||||||
2-Stage | F#2 | 提供12次Fetch Queue | ||||||||||
3-Stage | D#0 | Decode. | ||||||||||
4-Stage | D#1 | |||||||||||
5-Stage | D#2 | |||||||||||
6-Stage | D#3 | |||||||||||
7-Stage | D#4 | |||||||||||
8-Stage | E#0 | Architectural Register File | ||||||||||
ALU/MUL Pipeline 0 | ALU Pipeline 1 | Load/Store Pipeline 0 or 1 | ||||||||||
9-Stage | E#1 | Execution. | ||||||||||
10-Stage | E#2 | |||||||||||
11-Stage | E#3 | |||||||||||
12-Stage | E#4 | BP Update(to F#0) | BP Update(to F#0) | BP Update(to F#0) | ||||||||
13-Stage | E#5 | |||||||||||
10-Stage NEON Pipeline | Instruction Decode | Load and Store with Alignment | ||||||||||
1-Stage | M#0 | 16-entry NEON Instruction Queue/Instruction Decode | Mux L1/MCR | |||||||||
2-Stage | M#1 | Decode Queue and Read/Write Check | 8-entry Load Queue | |||||||||
3-Stage | M#2 | Score-Board and Issue-Logic | Load Align | |||||||||
4-Stage | M#3 | NEON Register Read and M3 fwding muxes | Mux with NRF | |||||||||
Integer ALU Pipe | Integer MUL Pipe | Integer Shift Pipe | None-IEEE FP Add Pipe | None-IEEE FP Mul Pipe | IEEE Single/Double precision VFP | Load/Store and Permute Pipe | ||||||
5-Stage | N#1 | FMT | DUP | SHIFT#1 | FFMT | FDUP | VFP | PERM#1 | ||||
6-Stage | N#2 | ALU | MUL#1 | SHIFT#2 | FADD#1 | FMUL#1 | Write Back | PERM#2 | ||||
7-Stage | N#3 | ABS | MUL#2 | SHIFT#3 | FADD#2 | FMUL#2 | Store Align | |||||
8-Stage | N#4 | ACC#1 | FADD#3 | FMUL#3 | 8-entry Store Queue | |||||||
9-Stage | N#5 | ACC#2 | FADD#4 | FMUL#4 | ||||||||
10-Stage | N#6 | Write Back (Update to ARM/NEON Register File) | ||||||||||
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