一文看懂ARM架构的苹果处理器强在哪里

ARM架构

ARM架构过去称作进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine，更早称作：Acorn RISC Machine），是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。

在今日，ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机）到电脑外设（硬盘、桌上型路由器）甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此还有一些基于ARM设计的派生产品，重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。

ARM 指令集走向64 位元带来的重大改革

苹果在2008年4月23日，冒着极大风险硬着头皮发表初代iPhone的隔年，耗费2亿7，800 万美元，购并了专注开发高效能Power 处理器的PA Semi，组成其处理器研发团队的骨干，然后在2012年9月发表的iPhone 5，其心脏「A6」处理器，终于不再使用来自ARM授权的核心，采用自家的「Swift」微架构（Micro Architecture）。

再以世界上首款抢滩登陆智慧型手机与平板的64位元ARM处理器「A7」（Cyclone微架构）为起点，苹果自家SoC开始逐渐展现压倒ARM Cortex家族（与躺着中枪的Qualcomm自有核心）效能优势，且随着时间演进，差距越拉越开。

让ARM 指令集迈向64 位元的ARMv8-A，并非只有「将整数逻辑暂存器宽度延长到64 位元」和「提供64 位元记忆体定址空间」这么简单，抛弃昔日专注于嵌入式应用的遗产，更加的简洁优雅，更利于打造高效能微架构，引领ARM 荣登高效能的天堂，是这次指令集改版最神圣不可侵犯的绝对使命。

ARMv8-A 修订项目极多，但就笔者的角度，除了取消「加速重建储存CPU 状态的Context Switch 相关机制」（一堆就今日观点实在很小家子气的技术），和简化例外处理与执行特权阶层外，最重大的改革，只有两项：

倍增通用暂存器（GPR）数量，这件事在当年AMD 让x86 迈向64 位元时也发生过，意义重大。

取消涵盖整套指令集的「条件执行」（Conditional Execution），这和前者互为表里，因为总算挤出了珍贵的指令编码空间去增加暂存器数量。

其中又称为「引述式执行」（Predicated Execution，或Guarded Exectuion）的后者，目的在于减少程式中的分支，指令集提供简单扼要的条件执行指令，一次做完所有事情。

ARMv8架构及技术特点

2011年11月，ARM公司发布了新一代处理器架构ARMv8的部分技术细节。这是ARM公司的首款支持64位指令集的处理器架构。由于ARM处理器的授权内核被广泛用于手机等诸多电子产品，故ARMv8架构作为下一代处理器的核心技术而受到普遍关注。ARM将在2012年间推出基于ARMv8架构的处理器内核并开始授权，而面向消费者和企业的样机于2013年由苹果的A7处理器上首次运用。

ARMv8技术特点

ARMv8是在32位ARM架构上进行开发的，将被首先用于对扩展虚拟地址和64位数据处理技术有更高要求的产品领域，如企业应用、高档消费电子产品。

ARMv8架构包含两个执行状态：AArch64和AArch32。AArch64执行状态针对64位处理技术，引入了一个全新指令集A64；而AArch32执行状态将支持现有的ARM指令集。目前的ARMv7架构的主要特性都将在ARMv8架构中得以保留或进一步拓展，如：TrustZone技术、虚拟化技术及NEON advanced SIMD技术，等。

配合ARMv8架构的推出，ARM正在努力确保一个强大的设计生态系统来支持64位指令集。ARM的主要合作伙伴已经能够获得支持ARMv8架构的ARM编译器和快速模型（Fast Model）。在新架构的支持下，对一系列开源操作系统、应用程序和第三方工具的初始开发已经在开展中。通过合作，ARM合作伙伴们共同加速64位生态系统的开发，在许多情况下，这可视为是对现有支持基于ARMv7架构产品的广泛生态系统的自然延伸。

具备64位计算能力的ARMv8架构，将使其合作伙伴有望进入高端服务器市场。然而，很多合作伙伴却缺乏在该市场的技术积累。

ARM架构的苹果处理器强在哪里

苹果从2013年九月发布iPhone 5S配备了自家的A7处理器开始，正式迈进64位处理器的时代，也以此为起点，苹果的A系列处理器开始展现惊世骇俗的性能优势，从2015年六月赶尽杀绝32位应用程序，直到去年苹果的iOS 11系统正式宣布不再支持32位处理器（意思就是iPhone 5S以前的机型不再支持升级系统到iOS 11），更是深具重大意义的里程碑。

高性能之路：让处理器在同一时间处理更多的指令

但64位运算真的有这么神奇吗？当然不是，真正有举足轻重影响的，是ARM升级到64位指令集时，「顺便」带来的革新，特别是铲平了打造高性能构架的重大障碍。

要提高处理器性能，不外乎增加每个时钟周期可处理的指令数：

· 提高时钟周期，对于便携移动设备来说，这几乎是不切实际的选项，提高时钟周期预示着在同样的技术条件下需要更多的能耗。

· 增加同时可以平行处理的指令数量，不再像以前那样每次只能一个萝卜种一个坑，现在你可以同时种多个萝卜到多个坑中。

· 提高管线效率，特别是当发生同时执行的指令，要存取相同储存器而撞车时，需要以「储存器更名机制」为中心的「非循序指令执行」来解决。

前面有提到，电脑有别于计算器的最大差别，在于「条件判断的能力」。

你可将计算机程序的正常执行流程，想像成一个「棋盘」，以一个角落当做起点，对角线的角落作为终点，在棋盘上反复移动，不限制前进或后退。如发生条件判断的分支（Branch），或无条件判断的跳跃（Jump），就会变更指令流，并且中断指令管线的运作，特别是必须先等待条件判断的执行结果，才能决定该分支是否发生的分支，对性能的影响尤其明显。

所以某些指令集就具备了所谓「引述执行（Predicaton）」的能力，包含32位的ARM指令集。一个在一般指令集的简单条件判断（相信各位一定看得懂）：

beq ra，label // if（ra）= 0，branch to‘label’ or rb，rb，rc // else move（rb）into rc

改用具备引述执行的条件搬移指令，一行就解决了，避开了分支指令，也无须启动分支预测机制。讲的直白一点，就是把所有相关工作打包起来，一次搞定。

cmovne ra，rb，rc

这对追求高度平行化的指令集，有着莫大的吸引力，所以也不外乎多数超长指令集（VLIW）电脑，都具备这样的能力，包含Intel的IA-64（Itanium），连x86从Pentium Pro开始也有cmov体系指令，只是因种种因素不那么实用，而逐渐边缘化了。

苹果看到的64位大未来

基于未来性，苹果也很早就把重心放在64位性能，根据某些实际的指令排程输出率测试，苹果兼具32/64位兼容性的Ax应用处理器，64位的指令输出量，就几乎是32位的足足两倍，例如每个时钟周期可输出6个64位指令，32位就会腰斩。当然，苹果自家芯片亦具备极度优异的内存性能，A10X走向大型化L2缓存，也隐约透露出些有趣的弦外之音，这就有赖前P.A. Semi团队的功力了。