ARM新一代多核技术可延长智能手机电池寿命

架构完全兼容

在big.LITTLE技术中，要想将在一个内核上运行的软件顺利转移到其他内核上，就需要大小两种CPU内核的架构和功能完全相同。

因此，ARM公司使Cortex-A7的架构与Cortex-A15完全兼容。除了Cortex-A7的指令集架构（ISA）与Cortex-A15完全相同外，还将Cortex-A15中首次向ARM架构引进的虚拟化技术、ECC功能和LPAE等先进功能，直接移植到了用于低价位智能手机的Cortex-A7中。注重电力效率的Cortex-A7之所以配备许多乍看并不需要的先进功能，是为了实现big.LITTLE技术。

异质架构成主流

big.LITTLE技术被定位为支撑今后智能手机和平板终端应用处理器的核心技术。ARM公司在2011年10月发布的64bit架构“ARMv8”，尚未发布支持的CPU内核，估计要在2014年以后才能配备在设备上。而big.LITTLE技术是已经可以使用的技术，不久的将来就可以实用化。

目前双核架构的智能手机用SoC，基本上都采用可多个排列相同CPU内核的同质架构。同质架构可采用通过多个内核运行单个OS的SMP（Symmetrical Multi Processing）架构，因此从软件来看易于使用。但从电力效率来看，即使在不需要高性能的情况下，同质架构也不得不采用配备高速架构（可发挥峰值性能）的内核，这点与异质架构相比处于不利地位。

big.LITTLE技术虽然在物理上采用异质架构，但就软件而言多个内核看起来就像一个。可以说是融合了异质架构与同质架构两者优点的技术。

实际上，ARM公司公开的未来应用处理器发展蓝图，从中端到高端的智能手机都并用了Cortex-A15和Cortex-A7，因此估计会采用big.LITTLE技术（见图1）。由此，智能手机在具备高性能的同时，还可延长电池寿命。作为实现这一点的王牌，big.LITTLE技术可以说是很有用的。

通过虚拟化技术掩盖微妙的不同

big.LITTLE技术在内部也采用了颇有意思的封装方法。这就是利用了虚拟化技术。

虽然Cortex-A7与Cortex-A15的ISA是相同的，但是两者在物理上是不同的内核。如果只统一ISA的话，那么内核间还是会存在无法掩盖的微妙不同。

例如，ARM架构中有名为“CP15”的寄存区，可存储CPU内核的ID以及缓存构成的拓扑等信息。ID中包括封装有相关CPU内核的企业ID，以及与CPU内核产品名称相对应的型号等。关于这些信息，Cortex-A7与Cortex-A15必然不同。

big.LITTLE技术通过应用虚拟化技术来掩盖这些不同。如前所述，Cortex-A7与Cortex-A15都采用了虚拟化技术。因此，在这些内核上运行的OS一旦访问CP15寄存器，根据虚拟化机构的原理，就会发生异常陷阱（Exception Trap）。于是，控制任务便会自动转移到OS以下模式运行的虚拟化软件（Hypervisor）上。在Hypervisor上向OS等提示与物理CP15寄存器等不同的信息，由此可以掩盖Cortex-A7与Cortex-A15之间在硬件上的不同。

利用虚拟化原理在软件上“欺骗”OS和应用，由此看起来就像在完全相同的内核上运行一样。ARM公司总裁Tudor Brown表示，“big.LITTLE技术的精髓在于虽然内核的物理性质不同，但从软件来看却完全相同”。

在Cortex-A7中封装虚拟化技术，不仅是为了与前面提到的Cortex-A15确保兼容性，还是为了最终通过Hypervisor消除两个内核间的微妙差异。

加速虚拟化技术在智能手机上的普及

ARM公司在2010年9月发布了该公司首款采用虚拟化技术的内核Cortex-A15，当时未必明确了在移动领域如何利用虚拟化技术。Cortex-A15不同于此前ARM公司的CPU内核产品，专门面向该公司近年着力发展的服务器领域。因此，估计是为了满足该领域的需求，才在Cortex-A15中采用了虚拟化技术。

然而，big.LITTLE技术公布后发现，虚拟化技术实际上可以广泛用于智能手机和平板终端上。ARM公司表示，“最初big.LITTLE项目是与虚拟化技术分别推进的，中途我们认识到可以利用虚拟化技术，于是将两者融合在了一起”。以big.LITTLE技术以及Cortex-A7的引进为契机，此前一直与移动领域无缘的虚拟化技术，将标配在几乎所有的智能手机和平板终端上（见图1）。

在集群间控制一致性

在big.LITTLE技术中，要想使某项任务顺利地从一个内核转移到另一个内核，需要在硬件方面进行改进。具体要求是在不同内核间确保缓存的一致性（Coherency）。

在缓存的一致性控制方面，ARM公司网已经有了“MPCore”多核技术，可以对CPU内核内一次缓存的一致性进行控制。不过，MPCore以最大四核的同质架构多核为前提，不支持big.LITTLE技术这种异质架构多核。

因此，ARM公司针对big.LITTLE技术这种异质架构，在SoC上新设立“集群”（Cluster）这个单位。通过MPCore技术构成的同质架构多核以集群为单位汇总，当在SoC上同时配备不同种类的CPU内核时，需要另外设置新的集群。比如，分别设置一个配备两个Cortex-A7的集群，以及配备两个Cortex-A15的集群（图2）。

集群间的缓存一致性，采用专用的IP内核“CCI（Cache Coherent Tnterconnect）-400”来确保。CCI-400在内部配备了交叉开关。CPU内核内一次缓存的一致性由MPCore技术控制，集群间二级缓存的一致性由CCI-400控制（表1）。

由于可以在Cortex-A15与Cortex-A7之间维持缓存的一致性，因此big.LITTLE技术可在约20μs内完成两个内核间的任务转移。20μs是将CPU内核内部多项寄存器信息转移到其他内核上所需要的时间（图2）。利用基于CCI-400的一致性控制，二级缓存数据可与CPU内核处理并行，从而自动转移到其他内核上。