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ARM V2处理器微架构分析

article 2024/9/21 14:09:59

ARM V2处理器微架构介绍

   

简介

ARM V2的微架构是ARM处理器的基础，它包括了指令集、寄存器、控制单元等。这篇文章主要分析了ARM V2的一些微架构内容。如果您需要更详细的信息，可以参考这篇文章。

IFU

文章内容经过优化如下：1、Cycle预测两个分支的特性，在服务器系列N2/V2中实现难度较大。复杂度高，需平衡多种因素。

2、实现uOp Cache,这一选择在RISC指令集中并不常见。尽管N2/V2系列才刚实现此特性，但实际移动端早在A77就已经开始采用这个微架构。然而，今年发布的V3/N3却放弃了uOp Cache设计。这可能是出于对功耗的考虑，以及优化ICache和其他IFU方面的特性所带来的收益更为显著。相较于uOp Cache,牺牲面积和功耗以获得收益的做法似乎更为明智，因此N3系列选择了放弃uOp Cache。

3、新增TAGE预测器及扩大BTB容量，属于常规升级。参数化调整为主，细节算法优化尚不明确。

4、针对间接指令，我们设计了独立的预测器。然而，由于历史原因，N和V系列实际上是从A系列演变而来的。在经典的A76微架构中，一开始移动端和服务器端的区分并不明显，因此之前的间接预测器与移动端一样，都是混合使用的。

随着时间的推移，服务器端间接指令的比例逐渐增加，而移动端的一些微架构在确定为间接指令后，再查找非独立IBTB设计方案(以节约面积和功耗)可能不再适用于服务器端。即使进行解耦设计，也难以完全消除间接指令预测带来的延迟问题。

6、取指队列也从原来的16entry升级到现在的32entry。

Decode/Rename/Dispatch

Decode/Rename/Dispatch细节已优化，宽度提升至6,借助uOp Cache实现低延迟发出8 uOps。Decode Queue从16增至32,新增Rename Checkpoint及优化Rename Rebuild,提高效率。

Issue/Execute

"新增了2个单周期ALUs,扩展了Issue Queues,SX/MX从20增至22entries,VX从20增加至28entries等。"

LSU

1、增加DTLB数量至48entry。

2、DCache将PLRU替换算法改为RRIP，ARM常用的替换算法，NRU/PLRU/RRIP，L1 Cache使用PLRU更多，更重视L1 Cache的时候会牺牲更多资源在替换算法上。现在论文常讲的更“细粒度”的替换算法，在实际工程中见的更频繁了。例如初始化区分历史，将数据或者指令视作不等价等。

简单讲，有一种观点是不全部强调命中率，更强调整体的性能，举个简单的例子，有些数据不命中，对其miss系统损失的代价更高，即使依据频繁访问原则“它”应该被踢掉，但由于“它”地位更高，所以不将“它”替换掉。

或者有观点，识别数据本身的特性以及访问频率等情况综合去考量替换问题，这无疑会消耗更多的资源，对于路数更多的L2可能使用类似“细粒度”的替换算法收益更高。但现在ARM L1 Cache也开始逐步使用相对复杂的替换算法。其它就是一些常规的参数级别的升级，例如2LS，1LD，一些buffer深度给出了升级。