ARM Cortex-A系列處理器詳解

如圖所示,綠色的部分都是v7-A的架構,藍色的是v8-A架構,基本上綠色都是可以支持到32和64位的。

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除了A32,只支持到32位。在右邊的每個部分,比如說需要高效能的最上面的A15-A73這個部分是最高效的,接下來就是比較注重整個效率的部分了,中間那個部分是比較高效率的,最下面那欄的是效率最好的,在電池的效能方面達到了最好的標準。


最新的還有使用在麒麟980上的,基於Dynamiq技術的第二代優質內核 Cortex A76。


Acore主打的就是高性能,消費類的產品比如手機,平板,機頂盒等需要上系統的基本上都需要使用Acore。Acore的發展曲線基本上和工藝曲線重疊,最新的A76是基於7nm的工藝,A73基於10nm的工藝,更早些的A5,A9基本上使用40nm或28nm的工藝。

ARM Cortex-A系列處理器詳解


這是ARM 2016年發佈的最新A系列處理器,Cortex-A73支持全尺寸ARMv8-A構架,ARMv8-A是ARM公司的首款支持64位指令集的處理器架構,包括ARM TrustZone技術、NEON、虛擬化和加密技術。所以無論是32位還是64位,Cortex-A73都可以提供適應性最強的移動應用生態開發環境。Cortex-A73包括128位 AMBR 4 ACE接口和ARM的big.LITTLE系統一體化接口,採用了目前最先進的10nm技術製造,可以提供比Cortex-A72高出30%的持續處理能力,非常適合移動設備和消費級設備使用。


Cortex-A73處理器將會逐漸覆蓋到我們合作伙伴的高端智能手機、平板電腦、翻蓋式移動設備、數字電視等一系列消費電子設備。


big.LITTLE架構發展到最新的A76,更新了Dynamiq架構,core的外面再包了一層L3 cache,減少了對外部DDR的讀寫,所以性能更優。

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Cortex-A72最早發佈於2015年年初,也是基於ARMv8-A架構,採用臺積電16nm FinFET製造工藝,Cortex-A72可在芯片上單獨實現性能,也可以搭配Cortex-A53處理器與ARMCoreLinkTMCCI高速緩存一致性互連(Cache Coherent Interconnect)構成ARMbig.LITTLETM配置,進一步提升能效。在相同的移動設備電池壽命限制下,Cortex-A72能相較基於Cortex-A15的設備提供3.5倍的性能表現,相比於Cortex-A57也有約1.8倍的性能提升,展現出了優異的整體功耗效率。


Cortex-A72是目前基於ARMv8-A架構處理器中使用最廣泛的處理器之一,主要其應用市場包括高端智能手機、大屏幕的移動設備、企業網路設備、服務器、無線基臺、數字電視。

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Cortex-A57是ARM針對2013年、2014年和2015年設計起點的CPU產品系列的旗艦級CPU,它也是ARM首次採用64位ARMv8-A架構CPU,而且通過Aarch32執行狀態,保持與ARMv7架構的完全後向兼容性。除了ARMv8的架構優勢之外,Cortex-A57還提高了單個時鐘週期性能,比高性能的Cortex-A15 CPU高出了20%至40%。


它還改進了二級高速緩存的的設計以及內存系統的其他組件,極大的提高了能效。Cortex-A57將為移動系統提供超高能的性能,而藉助big.LITTLE,SoC能以很低的平均功耗做到這一點。其主要面對的是中高端電腦,平板電腦以及服務器產品

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Cortex-A53同樣是採取了ARMv8-A架構,能夠支持32位的ARMv7代碼和64位代碼的AArch64執行狀態。A53架構特點是功耗降低、能效提高。其目標是28nm HPM製造工藝下、運行SPECint2000測試時,單個核心的功耗不超過0.13W。


它提供的性能比Cortex-A7處理器的功率效率更高,並能夠作為一個獨立的主要的應用處理器,或者搭配Cortex-A57處理器構成big.LITTLE配置。Cortex-A53在相同的頻率下,能提供比Cortex-A9更高的效能。其主要面對的是中高端電腦,平板電腦,機頂盒,數字電視等。

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Cortex-A35是基於ARMv8-A 64位架構設計的一款低功耗CPU,其目的是為了取代此前32位Cortex-A7和Cortex-A5兩顆老核心,採用和A53/A7類似的順序有限雙發射設計,同時融入了A72的一些新特性,並在前端重新設計了指令預取單元,提升了分支預測精度。此外,A35還採用了A53的緩存、內存架構,可配置8-64KB一級指令和數據緩存、128KB-1MB二級緩存,加入了NEON/FP單元,改進了存儲性能,支持完整流水線的雙精度乘法,還為CPU核心、NEON流水線都配備了硬件保留狀態(獨立電源域)以提升電源管理效率。在同樣的工藝、頻率下,A35的功耗比A7低大約10%,同時性能提升6-40%。


而對比A53,它可以保留80-100%的性能,但是功耗降低32%、面積縮小25%,能效提升25%。A35還可以和A53、A57、A72等大核心搭配,組成big.LITTLE混合架構系統,進一步提升系統能效。其主要定位於低功耗的低端手機、可穿戴、物聯網等領域。

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這是ARM 新一代構架中,唯一一個 32 位(ARMv7-A )架構的處理器,但 A32 就像是 32 位版的 A35,目標很明顯,就是在效能比本來就逆天的 A35 的基礎上進一步控制功耗。A32 架構主打芯片面積、功耗控制和能耗比,其停留在 32 位(ARMv7-A 指令集),指令預取單元針對效率進行了重新設計,一、二級暫存、浮點和 DSP 操作性能則針對速度進行了改進,並引入了新的電源管理特性。其支持 TrustZone 安全加密、NEON SIMD 指令集、DSP / SIMD 擴展、VFPv4 浮點計算、虛擬硬件等。


A32 可以在 32 位下提供和 A35 一樣的性能。但更低功耗,讓它的效能比(單位電能產出的性能)比 A35 還要高 10%、比 A5 高 30%、比 A7 高 25%。A35 可以透過提升頻率達到 A53 80-100% 性能,也就是說,A32 也可以在 32 位下達到同樣的性能等級,這時候的芯片面積只有 A53 的 68%,而功耗則只有 A53 的 61%。

在 64 位之下,A35 都有代替 A53 架構的實力,而在 32 位中,A32 就已經是完勝所有人的境界了,而且比起 64 位的 A35 架構,32 位的 A32 更適合用在穿戴設備和物聯網產品上。

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A17仍然基於32位ARMv7-A指令集,初期會採用28nm工藝,後期進化到20nm。本質架構和A12一樣都是雙寬度、亂序發射,僅僅是改進了外部互聯,引入了新的一致性總線AMBA4 ACE,可以更快速地連接內存控制器,從而改善性能和能效。


得益於這個新的總線,A17可以支持多核心SoC的完整內存一致性操作,能夠參與big.LITTLE雙架構混合方案,在特定頻率、工藝、內存條件下,A17的性能比A12提升大約40%。在某些特定的環境中,A17的性能已經可以和A15處於一個檔次了,但是功耗更低、能效更高。雖然在命名上排在Cortex-A15之上,但其定位中端,而不是高端。

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Cortex-A15最早在2010年發佈,基於32位ARMv7-A架構。A15和A9同樣具備亂序執行,但是Cortex-A15具備(兩倍)的指令發射端口和執行資源,指令解碼能力也要高出50%,動態分支預測能力更強(採用了多層級分支表緩存),指令拾取帶寬更強(128 bit vs 64 bit),這些都能讓A15的流水線執行具備更高的效率。除此以外,A15採用了VFPv4浮點單元設計,能執行FMA指令以及硬件除法指令,相較而言A9的峰值向量浮點性能基本上只有A15的一半。


Cortex-A15處理器可以應用在智能手機、平板電腦、移動計算、高端數字家電、服務器和無線基礎結構等設備上。

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ARM Cortex-A9採用ARMv7-A架構,目前我們能見到的四核處理器大多都是屬於Cortex-A9系列。Cortex-A9 處理器的設計旨在打造最先進的、高效率的、長度動態可變的、多指令執行超標量體系結構,提供採用亂序猜測方式執行的 8 階段管道處理器,憑藉範圍廣泛的消費類、網絡、企業和移動應用中的前沿產品所需的功能,它可以兼具高性能和高能效。


Cortex-A9 微體系結構既可用於可伸縮的多核處理器(Cortex-A9 MPCore多核處理器),也可用於更傳統的處理器(Cortex-A9單核處理器)。可伸縮的多核處理器和單核處理器支持 16、32 或 64KB 4 路關聯的 L1 高速緩存配置,對於可選的 L2 高速緩存控制器,最多支持 8MB 的 L2 高速緩存配置,它們具有極高的靈活性,均適用於特定應用領域和市場。

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ARM Cortex-A8處理器,基於ARMv7-A架構,是目前使用的單核手機中最為常見的產品。Cortex-A8處理器是首款基於ARMv7體系結構的產品,能夠將速度從600MHz提高到1GHz以上。Cortex-A8處理器可以滿足需要在300mW以下運行的移動設備的功率優化要求;以及需要2000 Dhrystone MIPS的消費類應用領域的性能優化要求。


Cortex-A8 高性能處理器目前已經非常成熟,從手機到上網本、DTV、打印機和汽車信息娛樂,Cortex-A8處理器都提供了可靠的高性能解決方案。

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Cortex-A7採用ARMv7-A架構,它的特點是在保證性能的基礎上提供了出色的低功耗表現。Cortex-A7處理器的體系結構和功能集與Cortex-A15 處理器完全相同,不同這處在於,Cortex-A7 處理器的微體系結構側重於提供最佳能效,因此這兩種處理器可在big.LITTLE(大小核大小核心伴侶結構)配置中協同工作,從而提供高性能與超低功耗的終極組合。單個Cortex-A7處理器的能源效率是Cortex-A8處理器的5倍,性能提升50%,而尺寸僅為後者的五分之一。

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Cortex-A5處理器同樣基於ARMv7-A架構,它是能效最高、成本最低的處理器,能夠向最廣泛的設備提供最基礎的 Internet 訪問。Cortex-A5 處理器在指令以及功能方面與更高性能的 Cortex-A8、Cortex-A9 和 Cortex-A15 處理器完全兼容 - 一直到操作系統級別。Cortex-A5 處理器還保持與經典 ARM 處理器(包括 ARM926EJ-S、ARM1176JZ-S )的向後應用程序兼容性。其定位於從入門級智能手機、低成本手機和智能移動設備以及基礎工業設備


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