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ARM架构,过去称作进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine,更早称作:Acorn RISC Machine),是一个32位精简指令集(RISC)处理器架构,被广泛地使用在嵌入式系统设计。今天我们一起来看一下它的发展历史是怎么样的。

1前言

本文尝试简单梳理一下ARM处理器的发展历史、架构的演进,包括不同处理器的应用方向,但我们重点还是围绕Cortex-A系列展开,也会介绍不同微架构处理器之间的继承关系,以及它们分别出自哪个设计团队等。不出意外,这将会是一个系列,分别是ARM处理器及架构发展概述、ARMV7-A架构以及微架构分析、ARMv8-A架构以及微架构分析,一些关键技术如Trustzone/bigLITTLE/NEON/AMBA、以及整个ARM软件生态的总体情况分析等。

2ARM处理器发展历史及商业模式

ARM的前身是英国剑桥的Acorn Computers,1990年正式成立,从1997年发布具有里程碑意义的ARM9后,从此进入快速发展的阶段。

ARM架构是当今世界上应用最广的RISC处理器架构之一,凭借其开放架构授权的商业模式,以低功耗为特点,是嵌入式和移动处理器领域绝对的霸主。除了CPU,ARM还会提供Mali GPU、符合AMBA协议的总线设计、一些常见外设IP,包括配套软件等一整套SoC解决方案。ARM的商业模式为IP授权,即通过知识产权授权的方式,收取一次性技术授权费用和版税提成。但ARM只专注于设计CPU/GPU等IP的设计,代工或生产由被授权的客户自行解决。

ARM收入包括前期授权费(license)和版税(Royalty),其中版税是按照使用ARM的芯片的出货量,按比例抽成。

ARM提供授权的方式有这么几种:

(1)处理器授权:是最低的授权层级,指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器,对方不能改变原有设计,但可以根据需要调整如产品的频率、功耗等。

(2)POP(Processor Optimization Pack,处理器优化包)授权:处理器授权的高级形式,ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商,方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器,如为三星、德州仪器、博通、飞思卡尔、富士通等基于ARM处理器推出自己的芯片。

(3)架构/指令集层级授权:可以对ARM架构或ARM指令集进行改造以实现自行设计处理器,如高通的Krait架构和苹果的Swift架构等。

3ARM处理器架构发展概述

ARMv6主要特性

(1)Thumb-2:是对32位ARM指令集的扩充,它的目标是为了实现更高的代码密度。

(2)TrustZone:安全扩展,将物理资源隔离,分为Secure word和nNormal word,处理器通过SMC指令,可以在两个世界之间切换。该扩展需要总线、MMU的支持,DDR、SRAM、外设等也需要不同的IP来做控制,以实现安全隔离。

(3)SIMD:这一代SIMD指令集依赖的向量寄存器,复用了ARM本身的通用寄存器。支持8/16bit整数,可以实现4个8bit整数或者2个16bit整数的并行计算。

ARMv7主要特性

(1)高级SIMD:在ARM v7-A架构中,ARM进一步发展自身的SIMD指令集,并命名为NEON。这一代的指令集,有32个64bit的NEON向量寄存器,同时也支持单精度浮点。

(2)VFPv3/v4:浮点体系结构(VFP)为半精度、单精度和双精度浮点运算中的浮点操作提供硬件支持,符合IEEE-754标准,VFPv4相当于VPPv3主要增加了half-precision extension和乘加的指令。ARM的vfp可以实现为32个或16个double-word register,分别以VFPv3-D32和VFPv3-D16来表示。当NEON和VFP同时实现时,VFP只可以实现为VFP-D32。

(3)LPAE(Large Physical Address Extension):大地址扩展,一般为40位地址扩展,可以将寻址范围从2^32 4GB扩展到2^40 1TB,也有处理器后来扩展到44bit。

(4)Virtualization:在Normal world里面加入了一个新的CPU模式——HYP mode,需要MMU和GIC(中断控制器)分别提供IPA(Intermediate Physical Address)和虚拟中断的转发的支持。

ARMv8主要特性

(1)Secure EL2:该特性Armv84-A引入,在Secure word增加了虚拟化支持。

(2)PA(Pointer Authentication):v83引入,增强安全,函数指针检查,CPU在执行函数跳转时检查函数指针是否正确(使用MAC算法),防止跳转指针被修改。

(3)BTI(Branch Target Identifiers):v85引入,对间接跳转的目标进行限制。与PA结合使用极大程度减少控制流攻击。

(4)MTE(Memory Tagging Extension):v85引入,内存区域进行标记,对保护区域访问必须使用具有相同标记的指针。可检测溢出、UAF类漏洞。

(5)Scalar Floating Point:aarch64提供32个128-bit寄存器用于SIMD vector and scalar floating-point支持;aarch32提供32个64-bit寄存器用于SIMD vector and scalar floating-point支持。

(6)Enhanced Crypto:v8一开始就增加了cryptography指令,包括AES,SHA-1/SHA-256等算法实现,又在v84增加了“SHA3/SHA512/SM3/SM4”的支持。

(7)bfloat:v82引入,增加FP16数据处理指令。

(8)Vector Extensions:v82引入,Scalable Vector Extension(SVE)是arm AArch64架构下的下一代SIMD指令集,旨在加速高性能计算,允许vector从28到2048 bit长度可变。

(9)Improved virtualization support:v84引入。

ARMv9主要特性

Improved Security:主要是引入了全新的CCA(confidential compute architecture,机密计算架构)架构。机密计算可以打造基于硬件的安全运行环境来执行计算,保护部分敏感数据和代码,甚至不受特权软件的影响,即使是具有最高权限的OS也无法影响。虽然OS可以决定何时运行,但应用程序位于独立的硬件保护内存区域,和系统中的一切是隔离的。这意味着就算应用感染了恶意软件,也不会传播给设备里的其他部分。

Digital Signal Processing&Machine Learning:在ARMv82中引入SVE,但它的问题在于,新的可变矢量长度SIMD指令集的第一次迭代的范围相当有限,并且更多地针对HPC工作负载,缺少了许多仍由NEON涵盖的更通用的指令。SVE2,旨在通过用所需指令补充新的可扩展SIMD指令集来解决此问题,以服务于类似DSP/ML等目前仍在使用NEON的工作负载。除了增加的各种现代SIMD功能外,SVE和SVE2的优势还在于其可变的向量大小。

范围覆盖了128bits到2048bits,让其无论在什么硬件运行,都允许向量的可变粒度为128b。如果纯粹从向量处理和编程的角度来看,这意味着软件开发人员将只需要编译一次其代码,并且如果将来某个CPU带有本地的512b SIMD execution pipelines,该代码将能够充分利用单元的整个宽度。同样,相同的代码将能够在具有较低硬件执行宽度能力的保守设计上运行,这对于Arm设计从物联网、移动到数据中心的CPU而言至关重要。

在保留Arm体系结构的32bits编码空间的同时,它还可以完成所有这些工作。然而类似X86这样的架构则需要根据矢量尺寸增加新的指令和扩展。

4ARM处理器分类及应用领域

ARM处理器现在产品线主要有Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M、SecureCore、Neoverse等几个系列。

Cortex-A系列处理器

Application Processors(应用处理器),主要面向移动计算,智能手机领域,2011年引入bigLITTLE,至2017年演化为DynamIQ。该系列历经ARMv7、ARMv8和ARMv9(上图并没有列出全部ARMv8处理器和ARMv9处理器,后面会有介绍)。系列支持基于内存管理单元(MMU)的虚拟内存系统体系结构(VMSA)。ARMv8它支持A64、A32和T32指令集,ARMv9开始已不再支持32位指令集。

Cortex-R系列处理器

Real-time Processors(实时处理器),面向实时应用的高性能处理器系列,例如硬盘控制器,汽车传动系统和Modem基带等,该系列主要支持基于内存保护单元(MPU)的受保护内存系统体系结构(PMSA)。它支持A32和T32指令集。但最新的是Cortex-R82处理器,是64bit,带MMU,支持RichOS,支持NEON

Cortex-M系列处理器

Microcontroller Processors(微控制器处理器),微控制器处理器通常设计成面积很小和能效比很高。通常这些处理器的流水线很短,最高时钟频率相对较低,它支持T32指令集的变种。主要面向IOT物联网领域。

SecureCore系列处理器

SecureCore,基于ARM-M架构,增强了嵌入式安全,主要有SC000和SC300,分别基于Cortex-M0(v6-M)和Cortex-M3(v7-M)。

Neoverse系列处理器

Neoverse(服务器端),面向云端到边缘的HPC、AI/ML加速等领域,是Cortex之外的另一条面向服务器和基础设施设备的核心IP。如初代发布即收获不错市场反响的Neoverse N1核心IP,亚马逊Graviton2、Ampere Altra是基于IP设计的产品。

ARM处理器的发展历史如下所示:

其他应用领域

ARM的汽车增强(AE)IP系列产品,于2018年推出Cortex-A76AE处理器,主要用于汽车ADAS(高级驾驶员辅助)系统,其支持Split-Lock分离-锁定技术,使得CPU核心可以运行在不同的模式下,分离模式下性能最大化,锁定模式下两个核心/线程可以互相锁定,最大程度确保安全。除了安全性能之外,Cortex-A65AE处理器还是ARM首个支持SMT多线程技术的,SMT为了提高数据吞吐率。

因为ADAS除了安全和性能外,还需要处理大量传感器带来大计算负载及高吞吐量。据ARM宣称,Cortex-A65AE处理器在能效更高的情况下吞吐率比前代(Cortex-A53)提升35倍。2020年,ARM又推出了新的Cortex-A78AE,新产品带来了更高性能的CPU内核,还首次采用了AE级GPU Mali-G78AE和ISP Mali-C71AE。新的Cortex-A78AE基于Cortex-A78微架构,与上一代Corex-A76AE相比,IPC提升了30%。

苹果在2020年11月,发布了基于ARM处理器的MAC便携机,该SoC芯片为M1。另外,根据网上资料,高通基于ARM处理器的PC芯片应该会在这两年推出。

5ARM Cortex-A系列处理器

ARM Cortex-A系列处理器细分

ARM Cortex-A系列处理器目前主要有超低功耗核、小核、大核、超大核4个系列,我们主要关注ARMv7、ARMv8和ARMv9这三代架构的处理器。

(1)超低功耗的处理器有:ARMv7架构的A5和A7,ARMv8架构的A35、A32和A34。

(2)作为小核的处理器有:ARMv7架构的A8和A9,ARMv8架构的A53和A55,以及ARMv9架构的A510。

(3)作为大核的处理器有:ARMv7架构的A15和A17,ARMv8架构的A57、A72、A73、A75、A76、A77和A78,以及ARMv9架构的A710和A715。

(4)作为超大核的处理器有:ARMv8架构的X1,以及ARMv9架构的X2和X3。

2011年有了bigLITTLE技术出来以后,ARMv7架构的A7可以作为小核和A15/17作为大核搭配;2012年ARMv8架构的A53作为小核和A57/A72/A73搭配使用;当然有了A35后,A53/A55也可以作为大核与A35作为小核搭配使用;2017年bigLITTLE进化为DynamIQ,大小核的搭配更为灵活多变,A75到A78都可以作为大核与A55进行搭配,此时出现了1+3+4(1个超大核、3个大核和4个小核)的搭配,一般用大核超频当做超大核用。

直到2020年ARM发布Cortex-X1,才有了真正意义上的超大核,定义是“可定制”移动平台,芯片商可以根据预算和需求向ARM提出要求,然后ARM再根据不同的应用场景调整各个模块的规格设计,当然也需要单独的授权。Cortex-X2/X3应该都是公版了(这块存疑)。最新的搭配可以有1个X3(超大核)+3个A715(大核)+4个A510(小核)这样的组合。

ARM Cortex-A系列处理器演进关系

从整体演进关系我们可以看到A9分为:A5往下的系列CPU(超低功耗路线)、A15(大核和超大核)、A12/17(未演进?)、A7分支(小核)这么几个分支;其中大核从A77又分化成传统大核和Cotex-X系列的超大核。

大核演进路线为:A8->A9->A15->A57->A72->A73->A75->A76>A77->A78->A710->A715。

超大核是从A77这一支线分叉出来的,分别为A77->X1->X2->X3。

小核的演进路线为:A9->A7->A53->A55>A73->A510。

超低功耗核的演进路线为:A9->A5->A35->A32/A34。

ARM处理器设计团队

ARM处理器主要出自Austin、Sophia、Cambridge三个Team之手,主要处理器如下:

一、Austin(Texas)

(1)Cortex-A8,Cortex-A15,Cortex-A57,Cortex-A72,Cortex-A76,Cortex-A77,Cortex-A78。

(2)Cortex-X1,Cortex-X2,Cortex-X3。

(3)Neoverse N1,Neoverse N2,Neoverse V1。

二、Sophia-Antipolis(France)

ARM11,Cortex-A9,Cortex-A12,Cortex-A17,Cortex-A73,Cortex-A75。

三、Cambridge(UK)

Cortex-A5,Cortex-A7,Cortex-A53,Cortex-A35,Cortex-A55。

另外,从网上公开资料看,Cortex-A76AE是美国Arizona州Chandler design centre设计的,其他面向汽车领域的处理器如Cortex-A65E/A78E是否为该团队设计暂未可知。

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