全方位深度解析iPhone 5S所有技术改进

迎来 64 位：

　　iPhone 5s 发布前，我听说苹果自主设计的 A7 SoC 将迎来 64 位。最初我不全信这一传闻，毕竟从一个稳定的架构转移到 64 位不是那么容易，不值得冒险。显然，我的观点是错误的。

　　在 PC 领域，多数用户已经对过渡到 64 位不再陌生，因为早在 2003 年 AMD 就宣告个人电脑正式进入 64 位时代。当时过渡的最大动机是增强内存寻址能力，从 32 位的 4GB 到 64 位的 16 EB。但是没必要支持最大的 16EB 内存，所以 AMD 的 x86-64 进用了 48 位于特定的内存地址（256TB）。从 x86 过渡到 x86-64 也带来小幅的性能提升。

　　对于 ARM 来说，过渡到 64 位的动机也是一样的：更大的内存。记得 ARM 和他们的合作伙伴曾希望能吞掉一部分英特尔高利润的服务器业务，这就非常需要 64 位的支持。ARM 已推出它的两个 64 位架构：Cortex A57 和 Cortex A53，ARMv8 ISA 自然就成了 32 位 ARMv7 新的一代。

　　跟 AMD 的 x86-64 不同，ARM 是带着一个新的 ISA 过渡到 64 位，而不是直接扩展旧的指令集。新的指令集叫做 A64，向下兼容 32位格式的指令集叫做 A32。单独一块微处理器就能同时支持这两种指令集，正如 ARMv8 那样拥有两种执行状态：AArch32 和 AArch64。当异常产生时，这两种执行状态能够切换/中端。换句话说，虽然 A64 是一个新的指令集，但你仍可以运行旧代码，当然，还需要一个支持 A64 的操作系统。在 A32 操作系统上无法运行 A64。也有可能仅设计一个 A64/AArch 64 的架构，某些服务器厂商或许会考虑使用，因为对他们来说向下兼容没多大意义。

　　Cyclone 完全可以执行 ARMv8 的 AArch32 和 AArch64 状态。考虑到苹果肯定会向下兼容现有的 iOS 应用，采用 ARMv8 的架构是非常合理的选择。

　　苹果过渡到 64 位并不是想扩大内存地址空间。以下是各代 iPhone 内存大小的发展趋势图，从图中我们可以看出，苹果并不着急扩大内存。

　　苹果总是隔代才增加内存。从 iPhone 4s 到 iPhone 5，苹果已经增加过内存了，所以 iPhone 5s 的内存跟 iPhone 5 一样，是 1GB 的 LPDDR3。现在可以预测 iPhone 6（或者 iPad 5）的内存可能会增加到 2GB。从内存寻址能力的角度来看，苹果最快也要到 2015 年才需要 64 位，但现在苹果把硬件的需求足足提前了两年。

　　其实仔细想想，现在也是开始过渡到 64 位的时候了。最新的 Xcode 测试版和 LLVM 编译器都已经向 ARMv8 兼容。从 iOS 7 正式发布之后开始，所有的应用程序都是 64 位。到 2015/2016 年，苹果开始碰到 32 位寻址能力的烦恼，不仅仅是操作系统的过渡，还有大量的应用程序都已经为 64 位开发。所以说苹果这次不像是提前，他们一向能把握好时机。ARM 阵营的其他厂商明天才会用上 ARMv8。

　　现在苹果的心思并不在扩大内存地址空间上。既然 A64 是一个全新的指令集，它还带来许多其他的好处。类似于 x86-64 的过渡，向 A64 的过渡也带来通用寄存器数量的增加。ARMv7 有 15 个通用寄存器，ARMv8/A64 有 31 个，而且每个都是 64 位的。所有 31 个寄存器都能同时访问。增加寄存器数量可以减少寄存器的压力，也直接影响着性能。

　　ARMv8 还加倍增加了 FP/NEON 寄存器（从 16 个增加到 32 个），还增加了寄存器的位宽，从 64 位增加到 128 位。支持 128 位寄存器能长远改善 SIMD 性能。然而，单词加倍寄存器数量只能小幅提升性能，加倍增加每个寄存器的大小才能很大程度改善性能。

　　ARMv8 还添加了新的加密指令，用于 AES 硬件计算和 SHA1/SHA256 算法。这些硬件 AES/SHA 指令具有大幅度提升性能的潜力，就像我们几年前在英特尔 CPU 看到的 AES-NI。新的高级 SIMD 指令和 AES/SHA 指令真正是设计来带动新一波的 iOS 应用程序。

　　许多 A64 指令模式也可以兼容 32位运算，而 A32 执行状态也添加了新的指令，所以为 ARMv8 编写的 AArch32 应用可能无法向下兼容。不过所有 ARMv7 和 32 位 Thumb 代码可以在 ARMv8 正常运行。

　　软件方面，iOS 7 以及所有原生应用都已开发兼容 AArch64。事实上，iPhone 5s 启动时都没有用到 AArch32。Safari、Mail，所有原生应用都已经是 64 位。

　　同时运行 A32 和 A64 应用的体验是流畅的，在实际使用中，你很难分辨出是同时运行了两种执行状态，还是只在 64 位运行。

　　我在运行当前的 32 位 ARMv7 应用程序时没有遇到向下兼容的问题。从一位终端用户的角度来看，过渡到 64 位一点困扰都没有。

64位性能提升：

　　新的 ARMv8 A64 指令和更大的寄存器空间能给性能带来多大影响？首先我们看看整数运算性能：

　　AES 和 SHA1 的提升是 ARMv8 新加密指令的直接结果。尤其是 AES 测试结果显示几乎达到一个数量级的性能改善。这种结果就跟我们在 PC 领域看到的英特尔 AES-NI 带来的提升一样。Dijkstra 的结果是唯一的后退。其他几项测试结果有小幅的提升。 总的来说，A7 在性能上已经很不错了。

　　如果整数运算测试结果看起来不错，那么浮点运算测试的结果就更好了：

　　因为有了 DP SIMD，ARMv8 的 DGEMM 运算速度有了非常大的提升。同时，增加了的寄存器空间也使 SFFT 获得不小的提升。结论是？要运行 64 位绝对需要更大的内存。

A7 和 OS X：

　　在测试 A7 性能之前，我曾猜测苹果率先迎来 64 位的移动芯片，唯一目的是为未来部署到更大的机器做准备。如果是在几年前，苹果与英特尔的合作关系会让我对自己的猜测深信不疑。不过现在我就没那么肯定了。

　　老实说，苹果继续自主投资和开发 SoC 的原因是没人能胜任这份工作。直到最近才出现能跟苹果竞争的 GPU，而 A7 在 CPU 方面都已经相当于英特尔的 Bay Trail。不过在 Mac 方面，A7 跟 英特尔的 Haswell 还是有很大差距的。我不认为苹果能在短期内拉近移动芯片跟桌面芯片的距离，但是我们不怀疑未来苹果有这样的能力。