ARM體系結構研究

4)2010年5月——Intel發布了最新的Intel Atom Processors系列，開創性在維持現有系統的高性能的同時地降低了功耗，使得制造輕薄的手持設備、Tablet PC、智能手機等成為可能。

從Intel投入的精力和一些列的動作我們可以看出Intel向彌補自己在移動計算領域缺席的決心，但是從時間上來看，intel同ARM相比起步晚太多了，所以至今為止，除了上網本有采用Atom架構的處理器外其它移動計算設備很少有采用Atom處理器的（Nokia的MeeGo平臺也許算是一個吧）。Intel的Atom在移動計算市場上的劣勢還不僅僅存在于起步太晚上。

自從Itanium的失敗后，Intel的后來的高層始終堅信著一點——要保持向前兼容才能獲得商業上的成功。于是Atom被無辜地套上了CISC的枷鎖，如前所述，ARM芯片采用的是經過廣泛驗證的RISC體系，這無論是在功耗還是在性能上都優于RISC架構，但是Intel為了實現向前兼容的目標，并沒有直接在Atom上采用RISC指令集。大家也許還認為先行的x86芯片還是CISC的架構，但其實，x86只是披著一件CISC外衣的RISC架構罷了，在Intel近期的CPU流水線中，使用的是一種叫做μops的指令集，從內存中調入的RISC指令會經過翻譯，變成一條或多條μops指令（也有可能多條指令變成一條μops指令），而且還有極少數指令，需要通過rom譯碼之后執行，這些額外的操作無論是在功耗上還是在性能上無疑都是一個累贅。使用μops流水線無法越過Power的天塹，Intel工程師們剩下的只有CISC流水線了。無奈的設計人員第一個想到的是1989年發布的486處理器，這顆處理器使用了單發射(single-issue)，順序執行(in-order)的CISC流水線。即使是在那個時代，486也并不是一個頂級處理器，Atom處理器必須對此加以補充。多發射技術肯定是必須的，所以Atom處理器支持雙發射。而現代處理器常用的亂序執行(Out-of-Order Execute)對于追求低功耗的Atom處理器是奢侈的，經過簡單地評估，Intel設計人員暫時放棄了亂序執行這個已經被廣泛驗證，可以顯著提高流水線執行效率的功能。同時486處理器使用的5級流水線并不利于處理器主頻的提升，Atom處理器將其提高到16級，如圖2.7所示。

圖2.7Atom采用的16段流水線

這不是Atom處理器流水線的全部。Atom處理器還含有兩級預先譯碼部件(Predecoder)。因為傳統的x86指令并不等長，而是16b~120b不等的，Predecoder部件的作用是劃分指令邊界，然后將其導入L1指令Cache。因此雖然Atom處理器L1指令Cache的大小為36KB，而實際可利用大小僅為32KB，剩余的4KB用來存放SOI(Start of Instruction)，EOI(End of Instruction)，等一些TAG信息。Atom處理器可以直接處理多數CISC指令，但是仍然有一些過于復雜的CISC指令被分解為若干個μops，再進入指令流水線。但是Atom處理器的流水線并非沒有可取之處，這顆處理器可以直接執行ALU/Memory指令。這類指令首先被分解為ALU和Memory兩個微操作，然后成對進入流水線，雖然Memory操作仍不能先于ALU操作執行完畢，也明顯提高了這類指令的執行效率。為了彌補沒有使用亂序執行的缺憾，Intel的設計人員采用了Intel一向很稱道的HT（Hyper-Threading）技術，即超線程技術，這種技術能夠顯著提升系統的響應性。因為它的主要設計理念是，在一個物理CPU上實現了兩個邏輯的CPU，這兩個邏輯的CPU擁有自己獨立的寄存器組還擁有獨立的APIC（Advanced Programmable Interrupt Controller）等其它資源，但是它們共用一條流水線，在一條線程由于執行某種耗時操作而掛起的時候，另一個線程的代碼可以使用這條流水線，同時它們可以同時跟蹤自己的中斷，而互不干擾。

Intel工程師們為了實現向前兼容，還不得不放棄很多最新的、優秀的芯片設計方法。從而使得Atom處理器有一種背負歷史使命的厚重感，少了一些現代的輕盈與高效。但是我們也看到，Atom處理器最開始是跑上網本的，也正是由于其一直秉承的向前兼容理念使得上網本上可以安裝xp或者linux系統，然而，在上網本上跑各種PC中的軟件卻讓人愈發感覺Atom處理速度的不足。Intel擁有著這個星球上最頂尖的芯片工程師，但是他們的才智卻被花在了解決x86那些乖張、荒謬的處理邏輯上。性能并不是Atom處理器的優勢，并不出乎體系結構專家的意外，在許多Benchmark程序下，Atom處理器落后于Cortex A9處理器，如圖2.8所示。而且Atom處理器的功耗與ARM處理器目前并沒有可比之處。

圖2.8 Atom與Cortex Benchmark性能測試對比

由于早些時候，Atom投入的是Netbook上網本市場，相對來說先前兼容所帶來的收益還是很有優勢的，但自從喬布斯捧著一個iPad站在了PC大賣場的舞臺后，Netbook時代就此終結了。而這時候唱主角的，卻是ARM與蘋果。

注釋：

【1】System-on-Chip技術是一種高度集成化、固件化的系統集成技術，其核心是要把整個應用電子系統全部集成在一個芯片中，它通過在單一芯片中嵌入軟件，實現多功能和高性能，以及對多種協議、多種硬件和不同應用的支持。

一、小結

二、參考文獻

1.http://www.hyqb.sh.cn/publish/portal2/tab270/info1268.htm提高嵌入式系統的Java應用性能的技術——Jazelle DBX。

2.http://www.arm.com/products/processors/technologies/jazelle.php——ARM主頁。

3.ARM指令集詳解——來自WWW。

4.http://www.hudong.com/wiki/arm#5——互動百科。

5.http://www.cnblogs.com/leaven/archive/2010/10/28/1863744.htm l——Cortex系列ARM核心及體系結構介紹

6.http://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture#Advanced_SIMD_.28NEON.29——維基百科。

7.NEON Support in the ARM - White Paper——Sep. 2008。

8.http://www.intel.com/technology/atom/——Intel Home Page