「Arm Arch」 微架构_arm微架构

 本文源自《书香度年华》「ARM 架构专栏」，是一系列由浅入深、循序渐进的文章，文章之间有一定的前后关联性，所以按顺序阅读，建议收藏专栏。

一、概念

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　　微架构(英语:Microarchitecture)又称为微体系结构微处理器体系结构。是在计算机工程中，将一种给定的 指令集架构 (instruction set architecture)在处理器中执行的方法。一种给定指令集可以在不同的微架构中执行。实施中可能因应不同的设计目的和技术提升而有所不同。计算机架构是微架构和指令集设计的结合。

二、基本部件

　　微架构因应计算机指令系统的执行过程来设计。

2.1 计算机指令的执行过程

2.1.1 提取指令

2.1.2 翻译指令

2.1.3 计算机操作数所存放的地址

2.1.4 提取操作数

2.1.5 执行指令

2.1.6 返回结果

2.2 新型的微架构包含部件

2.2.1 流水线执行机制

2.2.2 指令发射和调度机制

2.2.3 On-die cache 片上高速缓存

2.2.4 存储器管理机制

2.2.5 协调处理器

2.2.6 转移预测机制

三、示例

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三、总结

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1. 本文主要从 Arm CPU 微架构；

参考

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1. Arm CPU架构参考手册合集
2. AMBA 总线微架构参考手册合集
3. 系统微架构参考手册合集
4. 指令集微架构参考手册合集
5. 安全微架构参考手册合集
6. 功耗控制系统架构PSCA

术语

图灵机

一个抽象的机器、思想模型；

总线 

计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线；

Trustzone

通过隔离实现可信域的技术；

Hypervisor

虚拟机监视器，是用来建立与执行虚拟机器的软件、固件或硬件。

附录

微架构又称为微体系结构/微处理器体系结构。是在计算机工程中，将一种给定的 指令集架构在处理器中执行的方法。一种给定指令集可以在不同的微架构中执行。实施中可能因应不同的设计目的和技术提升而有所不同。计算机架构是微架构和指令集设计的结合。

Core微架构的处理器

编辑 播报

NetBurst微结构的缺陷是IPC（每时钟执行的指令条数）表现不佳，同频情况下Pentium 4有时还不如前代的PentiumⅢ。频率提高后，功耗随之上升，功耗过高，影响了主频的进一步提高。为了改善这种情况，Intel采用了Core微架构。

Core微架构是Intel在Yonah微架构基础之上改进而来的下一代微架构，采取共享式二级缓存设计，两个核心共享4MB或2MB的二级缓存，其内核采用高效的l4级有效流水线设计，每个核心都内建32KB 一级指令缓存与32 KB 一级数据缓存，而且两个核心的一级数据缓存之间可以直接传输数据。每个核心内建四组指令解码单元，支持微指令融合与宏指令融合技术，每个时钟周期最多可以解码五条x86指令，并拥有改进的分支预测功能。每个核心内建五个执行单元，执行资源庞大。采用新的内存相关性预测技术。加入对EM-64T与SSE4指令集的支持，支持增强的电源管理功能，支持硬件虚拟化技术和硬件防病毒功能，内建数字温度传感器，还可提供功率报告和温度报告等，配合系统实现动态的功耗控制和散热控制。Core微架构处理器的内部结构如图1所示：

图1 Core微架构处理器的内部结构

Core微架构的处理器系列有用于桌面平台的Conroe、移动平台的Merom和服务器平台的Woodcrest；有Core处理器和Core 2处理器之分，从结构上又可分为单核Core Solo、双核Core Duo和Core 2 Duo以及四核的Core 2 Quad。在多核结构中耦合度的松紧决定四核协作效率的高低，而微架构则决定每个核心的运算效率、实际性能、功耗高低等关键的特性。Intel的Kentsfield/Yorkfield两代Core 2 Quad处理器都基于Core微架构。 [1] 

使用微架构的原因

使用微架构有很多优势，但是同时也具有一定的风险。图2给出了一个简单的成本效益分析

图2 微架构成本分析表

由上图成本效益分析可以看到，在开发大型应用程序时，使用微架构可以获得最大收益。 [2] 

Core微架构的优点

Core架构的优势体以下几个方面：

(1)拥有超宽的执行单元。在每个周期，Core架构的指令解码器可以同时发射四条指令，而AMD K8架构只能发射三条指令，换句话说，Core架构拥有更加出色的指令并行度。

(2) Core架构具有“微操作融合(Micro-p Fusion)”和“宏操作融合(Macro-p Fusion)”两项技术，可以对执行指令进行优化，通过减少指令的数量获得更高的效率，Intel表示这两项技术最多可带来67%的效率提升，这也是Core架构产品在低功耗状态下依然拥有强劲效能的主要秘密。

(3) Core微架构的SSE执行单元首度提供完整的128位支持。每个单元都可以在一个时钟周期内执行一个128位SSE指令，而在多个执行单元的共同作用下，Core架构核心可以在一个时钟周期内同时执行1 28位乘法、128位加法、128位数据载入以及128位数据回存，或者是可以同时执行四个32位单精度浮点乘法和四个32位单精度浮点加法，进而显著提升多媒体性能。

(4) Core微架构采用共享Cache设计。Cache资源利用率高于独占式设计，且多个核心可以高效协作。 [1] 

XScale微架构处理器

XScale架构处理器是新一代为无线手持式应用产品开发的嵌入式处理器，是PCA开发式子台架构中的应用于系统与通信子系统中的嵌入式处理器。图3是XScale系统结构图：

图3 XScale系统结构图

(1)采用7/8级超级流水线：动态跳转预测；分支目标缓冲器BTB(BranchTargetBarfer)。

(2)支持多媒体处理技术：·新增乘/加器MAC；40位累加器；兼容ARMV5TE指令；特定DSP型协处理器CPO。

(3)指令快存(1-Cache)：32KB。

(4)数据快存(D-Cache)：32KB：可以重构为28KB片内RAM。

(5)微小数据快存(Mini-DCache)：2KB。

(6)指令存储器管理单元IMMU：32路变换后备缓冲器TLB(快表)。

(7)数据存储器管理单元DMMU：32路变换后备缓冲器TLB(快表)。

(8)中断控制器。

(9)总线控制器。

(10)调试(Debug)接口：性能监控：协处理器CPl4；硬件断点；硬件观察点；BKPT指令；异常中断；JTAG接口；迹缓冲器。

(11)动态电源管理。XScale微架构处理器的时钟可以达1GHz、功耗1.6 W，并能达到1200MIPS。

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