Arm A-Profile 构架发展2020

January 25, 2021

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本文翻译自

https://community.arm.com/developer/ip-products/processors/b/processors-ip-blog/posts/arm-a-profile-architecture-developments-2020

原作者： Martin Weidmann

译者： Zenon Xiu

arm与有arm构架授权的公司和生态合作伙伴一起，持续地演化arm CPU构架，开发新的功能来满足现有和新市场的要求。

这篇Blog讨论了2020年A-profile构架的一些关键新技术。

这篇Blog也介绍了未来构架技术新增的2项功能，提前提供了还没有发布的构架信息。

我们的技术网页会提供完整的指令集和系统寄存器信息

https://developer.arm.com/products/architecture/cpu-architecture/a-profile

完整的包含2020年扩展和之前功能的armv8-A构架参考手册（Arm ARM）会在2021年早些时候发布。XML格式的文档很快会发布，届时我们会发出链接。

(译者：这篇翻译发布时，XML文档已经发布，链接为 https://developer.arm.com/architectures/cpu-architecture/a-profile/exploration-tools ）

之前的A-profile构架更新信息可以在这里找到， 2014, 2015, 2016, 2017, 2018 and 2019.

增强对设备的热拔出支持

作为2020年构架扩展的一部分，arm增加了识别高时延设备的能力。TLB失效操作（TLBI）和屏障指令一起来实现这个属性。

PCIe这类技术允许设备热拔出。热拔出可能发生在CPU对这个设备还有没有完成outstanding请求的时候。当这个设备被拔出的时候， PCIe RootComplex会在一段 timeout时间后发出一个默认响应，这个时间一般大约是50ms。

我们预期对和这个被拔出设备直接打交道的软件有一定影响，但是我们希望减少其他，不相关任务的影响，考虑到以下情形，

图1，热拔出导致TLBI响应延迟

核1访问过被拔出的设备，现在正在等待设备的响应。

核2广播一个与设备不相关的TLBI操作并等待核1的确认（因为有DSB @Core2）。理想情况下，核1会很快响应，因为它没有TLBI对于地址的 outstanding传输，但是，有些微构架不追踪已发出传输对应的地址转换（包括TLB）。为了满足构架定义，核1 在响应TLBI之前必须等所有的传输完成，导致核2也需要等到PCIe timeout。

我们引进了 XS属性作为避免这个问题的有效手段。为PCIe设备建立的映射设置为XS=1，表示有可能有长延迟。对于如RAM这样的区域，标志为XS=0. CPU核可以追踪一个outstanding传输是否被标志为XS=0 /1即可，而不需要记录完整的原始转换关系（address translation）这使得核2对XS=0地址的TLBI操作可以得到快速响应。

图2 使用XS属性避免TLBI响应延迟

64字节原子读写操作

在针对企业应用的系统里的一个趋势是，引入对加速器进行64字节原子读写操作的支持。它们用作操作设备里的队列，有些时候也用来发送入列成功/失败的信号。

为了支持这个加速器的新需求，构架增加了64字节原子读指令（LD64B）和3条原子写指令（ST64Bx).

有timeout的WFE 和WFI

WFE和WFI指令可以使核进入到Standby模式，比如，在等一个资源可用的时候。如果没有一个唤醒事件和中断的情况下，核呆在standby模式中的时间是没有限制的。这是WFI/WFE指令的局限性。

为了克服这个问题，引入了新的WFI／ＷFE的变种指令，它们会和一个计数器值相关联。CPU核会在CNTVCT_EL0 虚拟计数器达到或超过一个设置值时退出standby模式。这允许软件设置一个CPU在 standby模式的最大时间。

其他功能

2020年构架扩展还包含以下小的功能

支持在52bit虚拟和物理地址下使用4KB和16KB的页表
对PAN的增强
支持MTE的异步错误处理
增强PMU和SPE

未来构架技术

作为2020年构架增强的一部分，arm引进了2个对未来构架技术的扩展。未来构架技术是还没还有公布的，但是我们想提前分享的信息，以帮助我们的生态做好准备。

Call-Stack Recorder Extension（CSRE）和 Branch-Record Buffer Exstension（BRBE）目的是提高在arm上开发软件的体验。通过增加代码是如何执行的可见性来提升体验。这些信息可以用作调试，分析（profiling），找热点（hot-spots），反馈驱动的优化（Feedback Driven Optimization (FDO)）及其他用途。

CSRE提供了影响较低的机制，记录和unwind调用栈的方式。当前调用栈（call stack）的实时视图被记录在内存中，在这里它可以被有效地抓取给到性能分析，或是被调试器解释。

BRBE抓取最近的跳转序列，并以容易解释的格式呈现。这个信息可以用作调试或是给分析工具找热点和AutoFDO。