细说64位ARM处理器架构的历史

64位计算的历史也算相当丰富有趣了，下面让我们“回味”一下64位ARM处理器架构的历史吧。

Cray等公司在70年代就已经开始在自己的系统当中使用64位寄存器，但真正纯粹的64位计算直到90年代才真正到来。 首先是MIPS的R4000，然后是DEC的Alpha处理器。到90年代中期，英特尔和Sun都已经拥有64位设计。而对于消费者来说，真正的转折点是 AMD在2003年发布了一款兼容英特尔32位x86处理器的64位PC处理器。

再向前快进10年，PC销量不断下滑，大部分智能手机和平板电脑都拥有了主频在1-2GHz之间的多核心处理器。但它们使用的都是32位架构，而非现代PC和服务器所使用的64位架构。到现在为止，这都是可以接受的。智能手机并不会去和PC拼性能，这些处理器需要足够节能，以实现续航的最大化。

但是，随着设备的发展和新技术——语音识别、3D游戏和高分辨率显示屏——逐渐普及，32位处理器的能力已经渐渐被推到了极限。

ARM看到了64位节能处理器的需求，并在正式发布ARMv8-A架构(首个包含64位指令集的ARM架构)之前就早早开始了新设计的开发，还从其他选择发展64位技术的芯片设计厂商那里学习到了经验和教训。ARM的新款64位架构具备对于旗下32位架构的全面兼容，这意味着如果处理器运行于64位系统，它就可以运行未修改的ARMv7 32位二进制文件。对于Android来说，这意味着一旦内核被移植到64位(多亏了Linaro，它们已经如此了)，系统的其余部分，从核心库到应用再到游戏，都是可以在32位或64位之间进行切换的。

去年，苹果凭借着iPhone 5s的全新64位A7处理器震惊了整个移动领域。A7采用了苹果设计的ARMv8双核处理器，名为Cyclone。它使用了两个64KB L1缓存(供两个核心分别使用)，一个1MB L2缓存(被两个核心所分享)和一个4MB L3缓存(为整个SoC所用)。苹果拥有ARM架构授权，这意味着它可以从头开始设计自己的处理器，但前提是这些处理器必须是ARM兼容的。ARM拥有一套测试套件，用以检查这些处理器是否具备兼容性。

在未来几个月里，我们将会看到高通、联发科和三星纷纷推出自己的64位ARM处理器。再考虑到Android在64位化的努力，用不了多久我们就将看到运行于64位Android系统的64位设备了。但对于开发者和终端用户来说，64位处理器意味着什么呢?

受益于ARM的64位架构

每一部CPU的中心都是一套寄存器，他们都是用以存储数字和地址的内部存储插槽。当执行复杂任务时，这些插槽会被反复使用。如果所有的寄存器都处于占用状态，那么处理的唯一方式是将其中一个寄存器存储在内存当中，使用寄存器进行下一个任务，然后再从内存当中重新载入之前的值。对于人类来说，这一切都发生在一瞬间。但对于处理器来说，这实际上是一个非常耗时的顺序，并不十分效率。

32位ARMv7架构拥有15个通用的寄存器，每一个都有32位宽。而ARMv8架构拥有31个通用寄存器，每一个为64位宽。这就意味着优化代码使用内部寄存器的频率应该要比内存更高，同时也可以保留更大的数字和地址。结果就是，ARM的64位处理器在运行速度上会更快一些。

在能效上面，64位寄存器的使用并不会提升功耗。在某些情况下，64位核心执行部分任务的速度会更快一些，由于运行时间的减少，这也就会使其显得比32位核心更加节能。

寻址(Addressing)是64位处理器的另一个层面。在PC和服务器领域，32位的局限主要在可访问的内存上。如果你想要使用超过4GB的内存，就需要使用64位处理器。因为可以使用大物理地址拓展(LPAE)，某些ARMv7处理器能够使用超过4GB内存，所以严格来讲，内存的限制并不是ARM处理器所遭遇的问题。由于LPAE的存在，Cortex-A15处理器能够处理1024GB内存，而64位的处理能力更是高达200万TB。因此在短时间内，任何一部智能手机都不需要完整的64位寻址。追求永远都不会被用到的寻址空间是毫无意义的，因此ARMv8架构采用了48位寻址，这已经是256TB了。

虽然没有什么程序或游戏会用到TB级别的内存，但在另一方面，这种寻址能力又非常重要。现代3D游戏通常都带有大量的资源，当拥有超过4GB的可访问空间时，这些资源能够被更加轻松地进行内存映射。这样一来，游戏的运行速度会得到提升，并让直接访问游戏多媒体资源成为可能。

不只是智能手机和平板

ARM上64位计算的好处并不仅限于智能手机和平板电脑。ARM的生态系统很广阔，他们的处理器也被许多不同类型的设备所使用。服务器市场是ARM处理器影响力有限的一个领域。信息时代的发展让维持数据中心所消耗的能源持续快速增长，而任何能够降低能源使用的技术都是对于资金和自然资源的节省。除了节能之外，在服务器当中使用64位ARM芯片还有其他的好处。这些服务器都会被动散热，这意味着你可以将它们集中在一起，而无需担心会发生过热的情况。这样一来，用于散热上的花费也将有所降低。

至于服务器软件，Linux这样的操作系统已经是64位的了，其主线内核当中也已经加入了对于ARMv8的支持。这也就是说，制作运行于64位Linux、ARM处理器的服务器并不会很困难。

总结

多亏了ARM，64位的移动计算时代就要到来了。这些新的处理器不仅速度更快，还为移动平台开启了更多的可能性。

从32位向64位的迁移道路已经被铺就，无论是什么操作系统，开发者从32位进入64位都不会有任何意外。

在未来几个月里，ARM的合作伙伴都将推出Cortex-A53和Cortex-A57处理器。当中有的会采用双核或四核的标准配置，也有的会选择big.LITTLE配置。但有一点是肯定的，那就是这对于ARM和普通用户来说都是一个激动人心的时刻。