移动平台新王者——ARM Cortex A9架构解析
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在任何场合下，NVIDIA的老大们都从不掩饰自己对移动平台领域的野心。Tegra处理器的高调问世，不遗余力地宣传，都显示了NVIDIA的信心，特别是在微软ZUNE HD上的表现更是令NVIDIA自信满满。在最近，NVIDIA又宣布了新一代Tegra处理器，相比上一代Tegra处理器，Tegra 2更是宣称要在性能、功耗方面都超越目前的同类处理器，到底是什么给了NVIDIA信心？实际上通过Tegra 1和Tegra 2两代处理器的比较，我们发现，Tegra 2相比上一代Tegra处理器，仅仅是让原有的一颗ARM Cortex A8核心变成了两颗ARM Cortex A9核心。ARM Cortex A9是何方神圣？它又有哪些神奇的性能让NVIDIA如此推崇？下面就让我们一起来揭开ARM Cortex A9的神秘面纱。
让苹果风靡全球的ARM处理器
或许不少人会产生这样的疑问，目前手机以及很多MID的处理器不都是一些公司自己设计生产的么？比如高通、三星或者TI OMAP处理器。那ARM公司的产品为什么经常在移动设备中被提及呢？实际上这种说法没错，但是这些公司设计生产的处理器无一不是根据ARM处理器核心架构衍生发展而来。比如风靡全球的iPhone 3GS可以说是目前最快的手机之一，它采用的是三星的S5PC100处理器，而这颗处理器恰恰就是基于ARM Cortex A8处理器架构而来。就在近日，NVIDIA的CEO黄仁勋在接受采访的时候，也毫不犹豫地说道：“X86只适用于PC，移动设备是ARM的天下！”
在目前的移动市场上，处理器主要根据两种ARM处理器架构而设计，一种是ARM 11，另外一种就是ARM Cortex A8。其中ARM 11是相对低端的处理器架构，包括早期的G1等手机的处理器就采用了这种架构，ARM 11也是移动领域中较早可以形成多核群组的处理器架构（即一颗处理器中包含多个ARM 11核心），NVIDIA早期也曾采用过这种方案。ARM Cortex A8则是目前主打性能的高端移动设备的最爱，无论是苹果iPhone 3GS，还是上代Tegra处理器，都采用了这种架构的处理器。ARM Cortex A8实际上也是ARM针对最新应用推出的产品，使用了能够带来更高性能、功耗效率和代码密度的Thumb-2技术，它可以对H.264和MP3等媒体编解码提供加速。Cortex A8处理器还包括了Java加速技术，对实时（JIT）和动态调试编译（DAC）提供最优化，同时减少了内存占用空间。Cortex A8处理器架构已经是非常强悍了，而最新的ARM Cortex A9则在Cortex A8的基础上再一次提升了性能和功能，同时降低了能耗，可以说是新一代的移动设备处理器之王。
令人惊艳的ARM Cortex A9
更强的任务处理能力
ARM 11核心在2003年推出，它采用的是单条8阶层管线，可以进行浮点运算。ARM Cortex A8在2005年发布，Cortex A8具备两条执行管线，相比ARM 11多了一倍，而且每一条管线具备13个阶层。更深层的处理管线，可以增加芯片的频率空间，两条执行管线设计可以增加每个时钟周期的效率。所以在性能和频率上，Cortex A8都远远超过了ARM 11。而最新的ARM Cortex A9，依然采用了双执行管线的设计，不过每个管线的阶层和ARM 11相同只有8个，不过这并不代表着Cortex A9的性能就比Cortex A8差了。实际上，Cortex A9虽然只有8阶层管线，但是ARM公司为它设计了一个更先进的执行引擎，在一个周期内，它所执行的任务就要多于13阶层管线的Cortex A8处理器，在相同频率下，Cortex A9的性能也要强于Cortex A8。据ARM公司自己介绍，1GHz的Cortex A8可以提供2000 DMIP的处理能力，相同频率的Cortex A9则可以达到2500 DMIP。
单独的高速缓存
每一颗ARM Cortex A9处理核心都拥有自己单独的L1高速缓存，它们可以存储指令和数据。Cortex A9带有64KB的L1高速缓存，指令和数据各有32KB。所有核心可以共享芯片上的L2高速缓存。共享L2是非常有必要的，特别是在双核心甚至是多核心的处理器设计上。Cortex A9架构的L2容量最高可以扩展到8MB，以移动设备处理器的眼光来看，这二级缓存的容量的确有一些匪夷所思，不过这只是理论数据，考虑到能耗和发热，在普通的多核Cortex A9架构上，二级缓存在512KB左右比较合理。
浮点计算单元以及更高频率
ARM发布Cortex A8的同时也发布了自己的向量浮点指令集，它的名字叫做NEON，简单来说，这种名为NEON的指令集就相当于X86处理器中的MMX或者SSE指令集。在ARM的Cortex A8处理核心中包含了NEON这种指令集，但是ARM并没有特别进行指令集的优化（实际上也不需要……）。而在Cortex A9中，ARM专门为之设计了FPU浮点运算单元，并没有像Cortex A8那样直接放置NEON单元，但这种浮点单元可以让Cortex A9相比Cortex A8在执行指令集上效率更高，同时也会大幅提升处理器的多媒体性能。
此外，不得不提的是Cortex A9可以达到的频率。目前，三星基于Cortex A8架构设计的“蜂鸟”处理器，频率达到了1GHz，采用了45nm的制造工艺，这基本上是Cortex A8目前的一个极限频率。事实上，Cortex A8的频率虽然可以达到较高水平，但是功耗和发热也不可小视，比如iPhone 3GS的处理器频率就是833MHz，但是为了正常工作，苹果将它降到了600MHz。Cortex A9在目前公布的频率是750MHz～1GHz，在台积电40nm的制程下，基于Cortex A9的处理器可以达到2GHz的频率，当然制造工艺必须要提升到28nm才能量产2GHz频率的处理器。。
多核架构以及更低的功耗
早在ARM 11时代，ARM就针对性能要求更高的用户推出了ARM MPCore多核体系，如今Cortex A9也继承了这种多核架构并且加以改进。为简化和扩大对多核解决方案的使用，Cortex A9 MPCore处理器还支持与加速器和DMA的系统级相关性，进一步提高性能，并降低系统功耗。值得一提的是，Cortex A9多核处理器是首款结合了Cortex应用级架构以及用于可扩展性能的多处理能力的ARM处理器，提供了很多过去没有的增强多核技术，比如加速器一致性端口（用于提高系统性能以及降低功耗）、先进总线接口单元（用于在高带宽设备中实现低延迟时间）、多核TrustZone技术（基于硬件的安全解决方案）以及通用中断控制器（用于软件移植和优化的多核通信）等等技术。可以说和过去相比，ARM Cortex A9的多核方案更加成熟，性能和兼容性也更加出众。事实上，Tegra 2处理器中就包含了两颗Cortex A9核心，我们可以试想一下，单独一颗Cortex A9核心就已经比同频率的Cortex A8强了，那么拥有两颗Cortex A9核心，同时频率可以达到1GHz的Tegra 2处理器，会比目前最强的iPhone 3GS性能高出多少？
除了性能以外，Cortex A9在功耗控制上也有一定的改善。由于单条管线的阶层只有8个，比Cortex A8要少，所以在功耗上，它自然也就略低；同时Cortex A9拥有的FPU浮点运算单元比Cortex A8的NEON单元要更小巧，这也意味着它更加节省成本以及省电。
Cortex A9的宿敌——Atom Z系列
在介绍完Cortex A9的架构后，就不得不说ARM处理器在移动市场上的宿敌——Atom处理器。事实上，Atom处理器在公布之际，Intel是很想利用这款处理器在移动嵌入式市场掀起一股浪潮的，从最早Atom处理器主要用于MID这点就能得知，只是最后移动市场没有占据多少，反而成就了表面看似无限风光的上网本，这或许并不是Intel的初衷。从目前的移动设备来看，Atom N系列的功耗发热依然不适合手机和其他移动设备，但Intel并没有气馁，而是开发了Atom Z系列来对抗ARM处理器。
从架构来看，Atom系列和ARM系列无疑有着巨大的差别，但是从移动设备所需要的效率和性能来看，两者又有着共同之点，在Atom执行流水线的前端，有两个解码单元，负责将内存读取来的指令都解析成处理器的内部指令并加以处理。这与Cortex A9非常类似，A9的指令队列也有两个解码器。两种处理器的架构中都有一个统一的指令队列和四个指令入口。Atom的两个线程可以共享资源，同时执行指令，而Cortex A9的优势在于具备很高的执行效率，另外还具备乱序执行的能力，两者架构不同，但都是为了提升处理器的执行能力。前段时间，ARM曾宣布，500MHz的Cortex A9处理器即可相当于1.6GHz的Atom处理器性能，这或许有夸大的嫌疑，但是也说明了ARM公司的信心。
实际上，对于Intel来说，功耗发热才是他们所要面对的问题，Atom Z系列显然在这一方面相对N系列进行了较大的改进，特别是Z500只有0.65W的功耗，已经可以承担起包括手机这样的移动设备的重任。只不过对于其他厂商来说，Intel一手把控处理器成品的作风让人担心，而采用ARM处理器架构，却可以扩展出自己的处理器产品，所以在移动设备领域，Intel能否成功突出ARM的包围圈，不仅仅是靠自己的产品，还需要众多公司的支持才行，而ARM在这方面恰恰不需要有太多担心。Intel和ARM公司在移动嵌入式处理器领域中的搏杀，到底谁是胜利者，还需要时间来证明。
写在最后
Cortex A9处理器虽然问世不久，但是已经隐隐露出了王者风范，除了我们熟悉的Tegra 2处理器采用双核Cortex A9架构以外，苹果最近狂销200万台的iPad所采用的处理器A4，实际上也是使用的单核Cortex A9处理器架构。NVIDIA和苹果的支持，已经让Cortex A9站在了很高的起点，但是ARM公司并没有放慢前进的步伐，最近他们又宣布会推出代号为“Eagle”的移动处理器架构，这款处理器也将隶属于Cortex A系列（很有可能是A10），这样在整个上游产业，ARM的布局将更为完善。不过我们还是期待Intel能在移动设备市场有一番作为，因为只有竞争才能让用户得到更好的产品，也只有竞争才能让技术发展，让世界发展！