简介

今年V3/N3已经发布，但考虑到没有公布太多的细节，我依据手册在“ARM发布新一代高性能处理器”一文中对微架构有阐述，本文主要简单分析ARM V2的一些微架构内容。

IFU

1、每个cycle预测两个分支，这个特性在服务器系列中是N2/V2刚有的，实现难度还是挺大的，复杂度相对比较高，需要平衡的东西比较多。

2、实现了uOp Cache，对于RISC指令集而言，这个选择不是很常见，尽管在N2/V2系列刚实现这个特性，但实际移动端早在A77就开始采用这个微架构，今年发布的V3/N3放弃了uOp Cache这个设计。可能是考虑到功耗问题，再加上优化了ICache和其它IFU方面的特性提升比较可观，对比下uOp Cache收益没有牺牲的面积和功耗大，所以放弃了。

3、增加了TAGE预测器以及BTB的容量，这就属于常规的升级了，基本是一些参数化的升级，更细节的算法优化不是很清楚。

4、给间接指令设计了单独的预测器，这里有历史遗留问题，由于N和V系列实际也是A系列演变而来，出于经典的A76微架构，一开始移动端和服务器端区分不明显，所以之前间接预测器和移动端一样都是混合的。而服务器端由于间接指令占比相对较多，移动端微架构是确定是间接指令之后再查找IBTB的设计方案（为了节约面积功耗）可能不那么适合服务器端了，即使是解耦设计，也不太容易覆盖住间接指令预测带来的延迟。

6、取指队列也从原来的16entry升级到现在的32entry。

Decode/Rename/Dispatch

Decode/Rename/Dispatch细节没有更多的信息，decode宽度提升到6，由于uOp Cache的存在，命中uOp Cache可以低延迟的发出8 uOps。Decode Queueyou由16提升到32，增加了Rename Checkpoint以及优化了Rename Rebuild。

Issue/Execute

增加了2个单周期ALUs，增加Issue Queues，SX/MX从20增到22entries，VX从20增加到28entries等等。

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。

L2

8路，2MB，和1MB的延迟一致（比较前版本），替换算法使用6-state RRIP。单个bank每2cycle读或写64B，共计4bank。

总结

arm的微架构给我的感觉是细节特别多，很多微小的特性都会抓取去优化，这是国内很多公司不具备的，国际一线的CPU公司，微架构方向的优化每年提升都放缓了，更多的是面向特定场景的优化，反而是工艺的提升以及SoC系统级微架构的提升对芯片系统的影响更大了。当然国内对CPU微架构的设计依然相对落后一些，即使在“参数上”追上了国际水平，并且抛开一些生态问题，实际“面积”“功耗”以及常规情况下的性能依旧有不少的提升空间（国内有些CPU性能出于宣传的角度，不少是在特定情况下测试的），当然以上的总结只是亦安个人的观点，很多是基于自己的感觉，大家见仁见智。