輕松讀懂移動(dòng)處理器 CPU微架構(gòu)全解析
Atom 是英特爾計(jì)劃實(shí)現(xiàn) x86 anywhere 戰(zhàn)略的重要產(chǎn)品，為此它不惜賣掉了口碑不錯(cuò)的 Xscale 系列 ARM 處理器部門給 Marvel，從 2008 年 3 月發(fā)布迄今已經(jīng)有了 45nm 和 32nm 兩代制程，產(chǎn)品型號(hào)可以說(shuō)是多如牛毛，就代號(hào)而言，有最初的 Silverthrone、Diamondville，然后經(jīng)過(guò)制程改進(jìn)，分別有了 Lincroft 和 Pineview，“新近”的 Cedarview 則是源自 Pineview。
不過(guò)這么多型號(hào)，到目前為止它們所基于的內(nèi)核微架構(gòu)都是 Bonnell。第一代的 Atom 處理器（Silverthrone）是 45 納米高性能制程制造，但是需要另外搭配一個(gè) TDP 兩瓦的 130nm 制程芯片組，這枚 Atom 雖然有低于 1 瓦的版本，但是此時(shí)很多功能都被關(guān)閉，性能很弱，考慮到那個(gè)芯片組，根本不會(huì)有人拿這個(gè)做手機(jī)產(chǎn)品。
兩年后的 Lincroft 集成了 GPU、視頻單元以及內(nèi)存控制器，采用專門的 45 納米 SoC 工藝制成，但是依然需要搭配一個(gè)代號(hào) Langwell、由臺(tái)積電 65nm 制程生產(chǎn)的 I/O 芯片，兩者合起來(lái)的名字叫 Morrestown 平臺(tái)，這個(gè)系列中的 Z600 被嘗試用來(lái)做了一兩款手機(jī)，但是太高耗電的問(wèn)題使得它們依然難以成為智能手機(jī)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)者。
到了 2012 年，名為 Medfield 的新平臺(tái)似乎讓英特爾的支持者看到了些許的曙光，因?yàn)樵诮?jīng)過(guò)三次制程技術(shù)和三個(gè)不同的設(shè)計(jì)后，現(xiàn)在英特爾終于有了一個(gè)可以在耗電上達(dá)到智能手機(jī)要求的低功耗產(chǎn)品，這個(gè)平臺(tái)中基于 32 納米 SoC 制程的 Penwell 芯片集成了代號(hào) Saltwell 的內(nèi)核，在微架構(gòu)上，Saltwell 和之前所有 Atom 處理器的內(nèi)核微架構(gòu)其實(shí)都是幾乎一樣的，都屬于 Bonnell 微架構(gòu)，不過(guò) Saltwell 由于采用了更精密的 32nm 制程，得以在微架構(gòu)上做一些優(yōu)化，因此在細(xì)節(jié)上是有一些不同的。
上圖為第一代 Bonnell 微架構(gòu)（Silverthorne）
到了 Saltwell（第三代 Bonnell）BTB 為 8096，具備 uop cache
Bonnell 采用超標(biāo)量流水線設(shè)計(jì)，可以每個(gè)周期執(zhí)行最多兩條指令，指令需要遵循一定配對(duì)原則才能實(shí)現(xiàn)超標(biāo)量執(zhí)行（類似于 Pentium 的 U/V 設(shè)計(jì)），具備 16 級(jí)工位，支持 x86_64 指令集以及最高 SSE3 擴(kuò)展，但是手機(jī)版本只支持 32-bit ISA，內(nèi)存容量也被限制在 1GiB，對(duì)應(yīng)平板和低端筆記本等版本則打開(kāi)了 64-bit ISA 支持，內(nèi)存容量放寬到 2～4GiB。
相對(duì)于當(dāng)前的許多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手來(lái)說(shuō)，英特爾在產(chǎn)品技術(shù)細(xì)節(jié)公布上要大氣許多，各種數(shù)據(jù)表、涉及微架構(gòu)內(nèi)部關(guān)鍵特征的編程優(yōu)化手冊(cè)都能在產(chǎn)品發(fā)布后就能公開(kāi)下載到，這讓我們可以更詳細(xì)的為大家介紹這款產(chǎn)品。
1、Saltwell 的分支預(yù)測(cè)器是一個(gè)具備 8096 條目（兩倍于 Bonnell 4096 條目）的全局式分支預(yù)測(cè)器；
2、Lincroft 時(shí)代引入的 48 字節(jié)后段取指緩存（post-fetch instruction buffer）在 Saltwell 里升格為一個(gè)高速緩存（Cache），以便減少 Saltwell 的重復(fù)取指。該技術(shù)類似于 Conroe/Merom 的 Loop Stream Detector（循環(huán)指令流偵測(cè)器），前面我們?cè)诮榻B ARM Cortex 微架構(gòu)的時(shí)候也有提到類似的技術(shù)。
3、Saltwell 的 L1 I-Cache 是 32KiB 8 路相關(guān)聯(lián)，L1 D-Cache 是單端口 24KiB 6 路相關(guān)聯(lián)。
4、Saltwell 的指令發(fā)射端口依然和 Bonnell 那樣是采用 Pentium 配對(duì)式發(fā)射風(fēng)格的 U/V 流水線設(shè)計(jì)；
5、Saltwell 能實(shí)現(xiàn)更多的整數(shù)指令配對(duì)以及更快的 memcopy 微代碼規(guī)則。
6、加入了不間斷時(shí)間標(biāo)簽計(jì)數(shù)器（TSC）和本地 APIC 計(jì)時(shí)器，主要是為了協(xié)助電力管理和減少喚起 CPU 的情況。
7、L2 Cache 維持之前的 512-KiB 8 路相關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，運(yùn)行于內(nèi)核同頻，讀取帶寬為每周期 32 字節(jié)（256-bit），可支持 32 個(gè)待發(fā) cache 請(qǐng)求。改變的地方主要是 L2 Cache 的電壓軌線與內(nèi)核是分開(kāi)了的。例如 Saltwell 內(nèi)核的 Vmin 是 0.7 伏特，L2 Cache 則在固定的 1.05 伏特電壓軌線上跑，這樣的設(shè)計(jì)有助于減少 C6（最節(jié)電模式）電力狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)延。
8、頻率變頻粒度更精細(xì)。以 Z2460 為例，雖然 CPU 的最高持續(xù)頻率為 1.3GHz，但是頻率的變動(dòng)范圍達(dá)到 1.6GHz，步進(jìn)粒度為 100MHz；而之前的 Z600 系列頻率范圍是 0.2GHz ～ 0.8GHz 持續(xù)，最高 1.2 GHz。
9、Saltwell 和之前的 Bonnell 系列微架構(gòu)同樣沒(méi)有專用的硬件整數(shù)乘法、除法單元，這些操作都是和浮點(diǎn)硬件共享。
10、在 Medfield 中還有一塊獨(dú)立分離于 512 KiB L2 Cache 外的 256KiB SRAM，位于不間斷模塊內(nèi)，主要用圖像信號(hào)處理器存放圖像數(shù)據(jù)以及優(yōu)化最低漏電。在 SOC 進(jìn)入節(jié)電模式后，這塊 SRAM 還會(huì)被用于存放架構(gòu)狀態(tài)，就好象 Saltwell 內(nèi)核具備自己的 C6 SRAM 來(lái)存放 x86 狀態(tài)，這塊更大的 SRAM 則是存放整個(gè)平臺(tái)的。在進(jìn)入 S0ix 狀態(tài)時(shí)，像圖形或者視頻編解碼器等單元都會(huì)被關(guān)掉，它們的狀態(tài)信息和配置信息都會(huì)保留在這塊 256 KiB SRAM 里。
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