轻松读懂移动处理器 CPU微架构全解析

Cortex-A9 的代号为 Falcon，是在 ARM 公司在 2007 年 10 月 3 日发布的 IP core，距今大约有五个年头。

Cortex-Ax 这个名字中后缀 A 表示属于 Application（应用处理器），Cortex 另有 M 系列（即单片机或者微控制器）、R 系列（实时应用），这里显然是 A 系列的规格最高，具备 MMU（内存管理单元）。

基于 Cortex-A9 的芯片实现有前面提到的 NVIDIA Tegra 2/Tegra3、Apple A5/A5X 以及 TI OMAP4430/4440、ST-爱立信 NovaThor U8500/U9500/LT9540、STM SPEAr1310、三星 Orion/Exynos 4210、华为 K3V2、ZiiLabs ZMS-20/ZMS-40、Sony CXD5315GG（PSV）、联发科 MT6577、华为海思 K3V2 等等，是目前 Google Android 操作系统高端手机、智能平板阵营中最主流的 CPU 内核。

Cortex-A8 微架构	Cortex-A9 微架构

Cortex-A9 的前身是 Cortex-A8，它们同属于 ARMv7 ISA 的实现，和 Cortex-A8 相比，Cortex-A9 除了流水线更短、增加了专门的多核方案等大家熟知的变化外，还具备多项改进。

1、Cortex-A9 拥有众多 RISC CPU 的先进特性，例如推测数据存取、动态分支预测、多指令发射、硬件 Cache 一致性、乱序执行、寄存器重命名，号称史上第一枚乱序执行移动处理器。

除了双指令发射和分支预测外，Cortex-A8 都并不具备，因此在 Cortex-A9 上汇编码优化、NEON SIMD 的重要性相对来说要低很多（经过调优的汇编码在 A8 上可以做到 10-30 倍性能，而 A9 一般只会有 2-5 倍，如果是 A9 使用 NEON C Intrinsics 的话性能基本上和汇编一样）。

2、Cortex-A9 的每条 L1 Cache Line 是 32 字节，Corte-A8 是 64 字节。Cache Line 又称作 data block（数据块）或者 Cache Block，Cache 每次更新都以固定大小的 Cache Line 为单位。

Cache Line 的大小主要影响命中率、内存存取效率、发生 Cache 命中缺失时候的性能惩罚时间。

3、Cortex-A9 的 L2 Cache 位于“核外”（ ARM 对应的方案是 PL310 或者更新一点的 L2C-310），而 Cortex-A8 则是速度更快的核内 L2 Cache。

从对 Cortex-A8 1GHz（三星 Samsung Hummingbird，即 Exynos 3110）和 CortexA-A9 1.2GHz（三星 Exynos 4210）实测来看，A8/A9 的 L1 cache 延迟分别为 3 周期和 4 周期，L2 Cache 延迟（含 L1 Cache 延迟但是不含 L1/L2 TLB 命中缺失惩罚的情况下）分别为 13 周期和 23 周期。

4、Cortex-A9MPCore 的各内核 L1 Cache 采用了数据、代码分离式设计，L1 数据 Cache 具备硬件 Cache 一致性。各个内核共享外部 L2 Cache。

5、Cortex-A9 具备完整的 VFPv3 FPU，而 Cortex-A8 则只有缩水版的 VFPlite，主要区别是 Cortex-A9 的大多数浮点操作都只需要 1 个周期，而 Cortex-A8 需要 10 个周期，因此 Cortex-A8 的浮点性能相当烂。

6、Cortex-A9 支持半精度（fp16），而 Cortex-A8 只支持 32-bit 单精度（FP32）和双精度（FP64），不过半精度在 CPU 级别的应用并不是很多见。

7、Cortex-A9 不能同时发射两条 NEON 指令，而 Cortex-A8 却能够实现 1 条 NEON L/S 指令搭配一条非 L/S NEON 指令。

8、Cortex-A8 的 NEON 单元位于 ARM 单元下游，所以 NEON 单元访问寄存器和内存更快，而且数据可以很快从 ARM 寄存器搬到 NEON/VFP 单元寄存器，但是将 NEON/VFP 寄存器数据搬到 ARM 寄存器的话就非常慢，会导致 Cortex-A8 的流水线停摆 20 个周期。

9、Cortex-A8 的 NEON 和 ARM 各有一个分离的 L/S 单元，如果一起对同一块 Cache Line 进行 Load 或者 Store 操作的话，会导致额外的 20 个周期延迟。

10、Cortex-A9 对多线程化同步采用 LDREX/STREX，不会杜塞所有的内核，而 Cortex-A8 对互斥使用简单的断禁制。

11、所有的 Cortex-A8 都集成了 NEON SIMD 单元，但是 Cortex-A9 则未必，例如 NVIDIA Tegra 2 就没有集成 NEON，不过 Tegra 3 则具备 NEON。

如果使用 7-zip（不包含任何浮点）实测来看，Cortex-A8 1GHz 的压缩(受内存时延、数据 Cache 大小和速度以及 TLB 影响较大）/解压缩（受 CPU 整数性能影响较大）性能相当于 Core i7 920 2.67GHz 的 3.5% 和 5.5%；而 Cortex-A9 双核则是 Core i7 920 的 8.8% 和 12.7%。