ARM 處理器的 64位元革命，新款處理器 Cortex-A50 家族的特性解析

回顧2012年，ARM 業界發生2件處理器大事，其一推出了不少新款應用處理器，其次則是發表 ARMv8 架構。這兩件事意味著 ARM 的新時代到來，那對於我們又有甚麼影響？我要如何了解它呢？讓我們來一探究竟吧。

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• Cortex-A50設計現身，最快2014年實體化 / 跨入64位元的6大特色

Cortex-A50設計現身，最快2014年實體化

回顧2012年，ARM業界發生2件處理器大事，其一推出了不少新款應用處理器，其次則是發表ARMv8架構。新款處理器方面代表是Cortex-A15，首款搭載Cortex-A15的是Samsung Exynos 5250，具備有1.7GHz雙核心，並內建在Samsung後來推出的Chromebook當中。

另外Exynos 5250還應用在Google Nexus 10上，面板解析度高達2560 x 1600。當然，大家最關心的就是效能到底如何，從目前網路上釋出的測試成績來看，的確具有雙核（Cortex-A15）打四核（Cortex-A9）的實力。就連Exynos 5250內建的Mali-T604 GPU也比目前Mali-400和Adreno 320效能再高出一截，但尚不及Apple A6X內建的PowerVR SGX554MP4。四核版Exynos 5450傳出將使用在新一代的 Galaxy S4 上，製程也將由Exynos 5250的32nm更換成28nm。

ARMv8 現身

ARMv8是ARM業界第二件大事，這件事情也延宕1年多。ARM終於推出2款處理器設計，分別為Cortex-A53和Cortex-A57，由數字就可觀察到是2款效能不同的產品。在此同時，與ARMv8架構一並推出的big.LITTLE處理器設計概念再次被提及。而ARMv8和Cortex-A50系列處理器又會如何改變我們手中的行動裝置，皆在之後的文章中細細說明。

目前的市售產品中，無論是Apple設計的A6X應用處理器，還是NVIDIA紅透半邊天的Tegra 3，亦或是最近常被提及的Qualcomm APQ8064，皆相容ARMv7的指令集架構，只是在硬體線路實做方面有所差異。這其中的差別，讀者可以理解成Intel、AMD、VIA三者製造的處理器皆可以安裝Windows，但是三者的效能卻大異其趣。

了解ARMv8架構

ARMv8目標接替ARMv7成為下一代ARM處理器的架構，目前只單一釋出ARMv8-A，沒有像ARMv7再細分為針對應用處理器的ARMv7-A，微控制器的ARMv7-M，和適合即時處理的ARMv7-R。

ARMv8最大的改變就是開始支援64位元，記憶體容量限制一舉突破4GB。這在目前手持式行動裝置上的迫切性並不大，直到今年才有2GB RAM的手機出現，在未來的1、2年內，受到半導體製程的影響，手機內建記憶體或許可以微幅調升至3GB或是4GB。

但別忘了除了消費性市場以外，許多伺服器製造商也一直在覬覦ARM的省電性，這或許才是ARM支援64位元的主因，準備大舉進攻伺服器市場。Intel則是為了防堵ARM的步步進逼，於是去年底推出最低TDP只要6.3W的Atom S1200系列。

跨入64位元的6大特色

新架構一定有些過去沒有的優勢，跨入64位元領域後，較明顯差異可分成6個層面，包括LPAE記憶體定址、最佳化的暫存器、A32與A64模式、2大資料模型、強化浮點數運算，最後則是簡化的處理器狀態。

定址擴大支援LPAE

跨入64位元之後，最大優點就是記憶體定址範圍擴大，而在ARMv8之中支援LPAE（Large Physical Address Extension），可定址超過4GB的實體記憶體。目前ARMv7架構的Cortex-A15已支援LPAE，雖說虛擬記憶體空間最多還是32bit，但已可支援到40bit的實體記憶體定址，最大支援128GB記憶體。

ARMv8的記憶體定址則成長到了48bit，無論是虛擬或是實體定址皆然，代表著ARMv8最多支援32TB的實體記憶體空間，這對想要進攻伺服器市場的ARM來說是個不錯的加分優點。

ARMv8支援２個48bit虛擬記憶體空間，一般程式記憶體空間從2^0往上延伸，核心記憶體空間則是由2^64往下減少，其中32位元程式碼只能運作在前4GB空間。記憶體可以採用常見的4KB做為分頁，也可以使用新的64KB分頁；64KB分頁的好處是效能高，但若是填入的資料少於64KB則容易造成記憶體空間的浪費。

x86-64處理器允許4KB或是2MB記憶體分頁，ARMv8採用4KB和64KB分頁，浪費的記憶體空間會比x64來的更少。

記憶體空間浪費有2種

在記憶體管理中，2種狀況下會導致記憶體空間的浪費，沒有辦法使用這些空間。第一種稱為外部碎片（external fragmentation），主要是記憶體分配給不同行程時，在2個分配空間中存在著一小段未被分配的記憶體區塊，但這記憶體區塊卻又不夠大到能夠分配給其它行程，造成有空閒的記憶體區域卻無法使用。

第二種浪費就是採用分頁式記憶體管理所造成，稱為內部碎片（internal fragmentation）。由於將記憶體區域切割成固定大小的「頁」，所以會造成某些「頁」中無法完全被資料填滿，而這沒有被填滿的區域又無法分配給其他行程，造成內部碎片。

讀者可以利用雜誌來理解，每一頁都是由某個專題部分獨佔（真測隊、技研堂……），如果我們寫的專題在尾端字數不足1頁，我們還是要分配1頁給它，並不會發生上半部頁是真測隊，下半頁為另一篇專題開頭的狀況。

暫存器效能最佳化

在AArch64部分，CPU內部暫存器的部分也有所增加。ARM在Cortex-A9中已導入硬體直接實作的虛擬暫存器重命名功能，但對於軟體來說，可用的暫存器還是只有那幾個而已。AArch64直接內建31個64位元的通用暫存器（第31個暫存器多數時間拿來當作Procedure Link Register），比起之前16個32位元的暫存器來說，在將來更複雜的運算中（如演算法），避免重複讀取載入資料的時間，運作效率更高、效能更好。

暫存器是什麼？

暫存器的英文為register，是整台電腦裡運作速度最快的記憶體元件，在CPU的運算階段，處理單元能夠直接存取、修改這部分的數值，但由於造價昂貴，僅在CPU內部安排數bit～byte不等的暫存器。若是以一般電腦記憶體元件的存取速度來排列，由快至慢為暫存器＞L1快取＞L2快取＞L3快取＞系統記憶體＞硬碟快取＞硬碟。

▲ARMv5進化到ARMv8的歷程，ARMv8藉由AArch32支援ARMv7的功能，同時再加入有關加密的指令（點圖可看大圖）。

延伸閱讀：

（後面還有：ARMv8運作分2種等更多詳細介紹唷！）