【论文】手机处理器之深入解剖.docx

手机处理器之深入解剖了解了手机中的微处理器的基本现状之后，要更深入的了解手机微处理器的内部情况，众所周知，微处理芯片是一个复杂的系统，现在就从几个方面来剖析手机处理器这只小麻雀。手机微处理器的指令集结构（一） 指令集首先要说一说指令集的概念。CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。根据不同的需求开发的指令集有很多，例如Intel的MMX、SSE、 SSE2和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图像和Internet等的处理能力，另外还有RISC指令集。RISC指令集是以后高性能CPU的发展方向。（二） RISC其次，讲一讲RISC的概念。所谓RISC即reduced instruction set computer（精简指令集计算机），RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器，是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，进过实验证实，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，而RISC作为一种典型技术，是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，RISC的技术特点有很多，首先集中体现在指令系统上。RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。这样一来，它能够以更快的速度执行操作（每秒执行更多百万条指令，即MIPS）。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢。另外，在存储器操作上，RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，RISC芯片设计周期短，且易于采用最新技术。目前使用RISC指令集的体系结构主要有ARM、MIPS。（三） ARM接下来说说ARM公司。ARM公司是苹果、acorn、vlsi、technology等公司合资企业。它从事基于RISC技术芯片的设计开发，设计了许多具有高性能且价格与能耗都很低的RISC处理器及相关技术、软件。目前，ARM公司自己不生产芯片只将芯片的设计方案授权给其他公司。这使它与全球许多半导体、软件厂商有合作关系。基于这种关系ARM变成许多全球性的RISC标准的代名词。ARM商品模式使其占手机处理器90%的市场份额，上网本处理器30%的市场份额，平板电脑处理器80%的市场份额。目前大多数的移动芯片生产厂商的手机处理器都是基于ARM构架设计的，例如TI的OMAP系列,高通的snapdragon系列处理器。所以我们在ARM的构架下说一说手机微处理器的RISC指令集结构。ARM微处理器的指令集是加载/存储型的，也即指令集仅能处理寄存器中的数据，而且处理结果都要放回寄存器中，而对系统存储器的访问则需要通过专门的加载/存储指令来完成。ARM微处理器的指令集可以分为跳转指令、数据处理指令、程序状态寄存器处理指令、加载/存储指令、协处理器指令和异常产生指令。具体的指令描述如下：助记符指令功能描述ADC带进位加法指令ADD加法指令AND逻辑与指令B跳转指令BIC位清零指令BL带返回的跳转指令BLX带返回和状态切换的跳转指令BX带状态切换的跳转指令CDP协处理器数据操作指令CMN比较反值指令CMP比较指令EOR异或指令LDC存储器到协处理器的数据传输指令LDM加载多个寄存器指令LDR存储器到寄存器的数据传输指令MCR从ARM寄存器到协处理器寄存器的数据传输指令MLA乘加运算指令MOV数据传送指令MRC从协处理器寄存器到ARM寄存器的数据传输指令MRS传送CPSR或SPSR的内容到通用寄存器指令MSR传送通用寄存器到CPSR或SPSR的指令MUL32位乘法指令MLA32位乘加指令MVN数据取反传送指令ORR逻辑或指令RSB逆向减法指令RSC带借位的逆向减法指令SBC带借位减法指令STC协处理器寄存器写入存储器指令STM批量内存字写入指令STR寄存器到存储器的数据传输指令SUB减法指令SWI软件中断指令SWP交换指令TEQ相等测试指令TST位测试指令微处理器的功能结构ARM处理器结构包括以下几个方面：ARM和Thumb状态 ，RISC技术，流水线技术，超标量技术。ARM和Thumb状态 V4版以后有： （1）32位ARM指令集 （2）16位Thumb指令集，功能是ARM指令集的功能子集。 ARM7TDMI核以后，T变种的ARM微处理器有两种工作状态： （1）ARM状态 （2）Thumb状态。 当ARM微处理器执行32位的ARM指令集时，工作在ARM状态； 当ARM微处理器执行16位的Thumb指令集时，工作在Thumb状态RISC技术前面已经叙述。流水线技术 是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术；程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤，从而可加快程序的运行速度；开发和设计嵌入式系统的过程中，CPU的性能是一个非常重要的考虑因素。流水线技术是在本质上影响程序执行速度的因素。由于计算机中一条指令的各个执行阶段相对独立，因此，现代CPU大多设计成流水线型的机器，在这种类型机器中几个指令可以并行执行。采用流水线的重叠技术大大提高了CPU的运行效率。超标量执行通过重复设置多套指令执行部件，同时处理并完成多条指令，实现并行操作，来达到提高处理速度的目的。ARM公司下一代处理器将是每周期能处理多重指令的超标量机。超标量处理机：一个时钟周期内同时执行多条指令的处理机。超标量与流水线技术是兼容的，为了能够在一个时钟周期内同时发射多条指令，超标量处理机必须有两条或两条以上能够同时工作的指令流水线。但与此同时，也带来了多流水线的调度问题和操作部件的资源冲突问题。超标量处理器在执行的过程中必须动态地检查指令相关性。如果代码中有分支指令,必须将分支被执行和分支不被执行这两种情况分开考虑。常见的手机微处理器品牌系列Snapdragon和Hummingbird Cortex A8都不是传统意义上的CPU（例如Intel的i3,i5和i7）,而是Soc（System on a Chip），CPU，GPU，通讯解码芯片等各种零件都集中到了一个芯片上,所以更像一个系统。大多数公司都会从ARM Holdings这个开发ARM结构的公司买来执照，然后根据自己的需求来更改ARM原先的结构， Qualcomm高通的Snapdragon系列（高通称Snapdragon是一个平台），T.I.德州仪器的OMAP系列和Samsung三星的 S5PC系列都是这么做的。不同的是高通买来ARM技术之后并不是更改，而是在ARM的instruction set基础上开发自己的平台.Snapdragon主要使用ARMv7的instruction set，技术结构和ARM的第一个运用ARMv7 instruction set的Cortex A8很相近。德州仪器和三星都是在Cortex A8上更改一些东西，让它更符合自己的需要。Arm公司推出ARM-X系列和Cortex-AX系列。下一代的Cortex-A9硬件上专门为45纳米生产和多核处理器进行了优化，效率更高并且更加省电，这和下一代的Snapdragon QSD8X72一样，ARM估计运算结构优化了25%，1Ghz的A9将比A8快出来很多，Cortex-A9还将支持真正的超限额运算(out-of- order instruction),，现有的Snapdragon部分支持的技术。Snapdragon不是一个处理器，而是系统芯片(System-on-a-Chip， SoC).。开发者和制造商都是高通（Qualcomm），Snapdragon集成了一个高通根据ARM公司Cortex指令集设计的CPU核心(高通命名为Scorpion)，一个高通收购ATI的移动设备的图形处理芯片Adreno,WCDMA/CDMA2000的通讯解码芯片,内存控制器，蓝牙芯片，wifi芯片。相比ARM公司自己开发的Cortex-A8结构，高通的Scorpion核心拥有以下优势：（1）更有效率的处理，相比Cortex-A8在1GHz的主频下每秒处理20亿个指令， Scorpion在1GHz的主频每秒可以处理21亿个指令，比Cortex-A8快了5%。（2）部分支持超限额处理(out-of-order execution)，在内存带宽限制CPU处理能力的情况下可以提升CPU的处理能力，因为CPU不需要完成一个逻辑流程就可以开始第二个， ARM公司开发的第二代基于Cortex指令集的结构Cortex-A9开始支持超限额处理。（3）支持多核CPU结构. Cortex-A9同样支持多核CPU结构。高通的做法无.疑更加消耗时间和金钱，但是这样做的结果使Snapdragon平台有潜力超过Cortex-A8。事实上，Scorpion (Snapdragon的CPU代号)比同样的Cortex-A8要快出5%。高通还集成了GPS芯片,通讯解码芯片(高通就是各种网络格式标准的设定者)等等。厂商会很喜欢这种做法，因为他们不需要加入这些必要的硬件，只需要一个Snapdragon就可以解决，这样生产的手机可以拥有更小的体积。当然三星也不可能就这样认输，他们同样修改了Cortex-A8的逻辑芯片，修改范围在2.0%之间。三星估计经他们修改的逻辑芯片比公版的Cortex A.8减少了20%-25%的逻辑程序去运行一项计算