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big.LITTLE

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ARM big.LITTLE或big.LITTLE是由安谋国际科技公司（ARM）提出的异构运算架构。在该架构中，比较耗电但运算能力强的处理器核心组成的“big集群”与低耗电、运算能力弱的处理器核心组成的“LITTLE集群”结合，这些处理器核心共享存储器区段，并能够在不同的CPU集群之间在线实时分派、切换负载。[1]这个架构运用在移动计算上，意图是做出计算高性能而平均耗电低的多核心处理器。ARM的营销材料称，在某些运算操作中该架构与只使用与“big集群”的相同CPU核心数量的处理器相比，可节省多达75%的功耗。[2]通常，ARM big.LITTLE架构用于创建多处理器SoC（MPSoC）。

本配置配置式在2011年10月ARM发表Cortex-A7时首次对外公布，Cortex-A15也能够与这个架构兼容。[3]2012年10月，ARM公司宣布Cortex-A53与Cortex-A57（ARMv8）也能与这个架构兼容。[4]2014年2月ARM发表Cortex-A17（英语：ARM Cortex-A17），同一年在Computex 2013上ARM又发表了Cortex-A12（英语：ARM Cortex-A12），这两种CPU核心也可用于big.LITTLE配置式中的“big集群”上（“LITTLE集群”由Cortex-A7担当）。[5][6]

2017年5月，ARM发表DynamIQ取代big.LITTLE。[7]与big.LITTLE相比，DynamIQ允许更为灵活的CPU核心配置和更大规模的集群设计（每个CPU集群可以有八颗CPU核心）、集群数量更多（一块CPU上最大可扩展至32个集群）、更精确的电源控制（每个核心内有更多的时钟门控和电压控制）以及更快速的L2缓存访问操作。然而DynamIQ仅适用于Cortex-A75、Cortex-A55及往后推出的ARM CPU核心。

运行状态迁移切换方式

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big.LITTLE中，节电的“LITTLE集群”和高性能的“big集群”之间有三种切换方式，均要求在线实时操作，除了电路设计以外还需要操作系统的配合得当（一些方式需要依赖操作系统的工作流调度实现）[8][9]

集群切换

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big.Little集群的切换

最早也是最简单的big.LITTLE配置实现是这种大小核心集群的切换，高性能CPU核心亦即大核心组成“big集群”，而低功耗CPU核心亦即小核心，则是组成“LITTLE集群”。操作系统的调度器在某一时间点上只能见到一组CPU集群，整个处理器的负载高低变化时，系统会在不同集群间转移负载。当负载从一个CPU集群转移至另一CPU集群时，相关的资料、执行状态等被保存在这些集群共享的二级缓存（L2 Cache）当中，先前运作的CPU集群断电关闭然后加电压开启另一个集群。集群的资料转移还需要使用缓存一致性互联（CCI）。这种big.LITTLE的第一个实现是三星Exynos 5410 Octa。[10]这种方式的一大缺点是CPU集群间的切换延时较高，并且CPU核心的利用率较低。

内核内置切换器（CPU迁移）

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big.Little中以操作系统内核内置切换器实现CPU核心之间的切换

这种切换方式自集群切换方式演变，主要区别在于每一个集群对操作系统调度器来说都是可见的。在此种方式中，任务在CPU核心之间切换使用内核内置切换器（in-kernel switcher，IKS），芯片设计上是一个高性能CPU核心和一个低功耗CPU核心组成一个复合集群，这一个集群作为一个“虚拟的”核心来供操作系统操作，同一时间点上这一对CPU核心只有一颗在运作，高性能CPU核心仅在有高性能运算需求时才开启，运算性能需求低时则是只开启低功耗核心。当虚拟核心内负载在高低之间变化时，先开启将要切换到的CPU核心，转移执行状态，转移完成后关闭先前运行的CPU核心，由该CPU核心继续执行先前的处理进程。切换工作需要通过cpufreq框架完成。Linux 3.11内核开始提供了big.LITTLE IKS完整实现所需内核组件模块。

苹果公司的A10 Fusion以及A10X Fusion即采用此种big.LITTLE配置。不过，更复杂多样的“大小核心”CPU核心分组，也是有可能的，一只采用IKS方式的处理器上容许一个虚拟核心内有一颗以上的高性能CPU核心或低功耗CPU核心，或者是相同的CPU核心而分成主副CPU核心。英伟达的Tegra 3 SoC也采用类似IKS切换方式，但Tegra 3上采用的是相同的CPU核心，多个主CPU核心与一个副CPU核心的设计。

异构多处理机（全局任务调度）

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big.Little异构多处理

异构多处理（heterogeneous multi-processing，HMP）是big.LITTLE配置中最灵活也是性能最强劲的使用模式，在这种配置中，同一时间点上所有的物理CPU核心都是可用的并且可以同时全部开启使用，也可以将高性能CPU核心全数关闭而只使用低功耗CPU核心。高优先级或者对运算速度吃重的线程可以被分派至高性能CPU核心上，而低优先级或对运算速度要求不高的线程（如背景任务），则是由低功耗CPU核心负责完成[11][12]

最早的实现是三星电子的Exynos Octa 5420/5422/5430。[13][14]而现时大部分实现big.LITTLE配置的ARM架构兼容处理器，多采用这种切换方式。迫于移动设备对CPU核心规模的控制，苹果公司的Apple A11也采用此种调度方式。[15]

全局任务调度的优势：

  • 对各个CPU核心有更细粒度的工作量控制。因为操作系统调度器直接对各个CPU核心分配及搬移任务、降低操作系统内核态的额外开销而令节电效果和性能相应地获得提升
  • 相比内核内置切换器（IKS）依赖cpufreq框架来实现，直接使用任务调度器来实现CPU核心的切换来得快，而且更容易实现
  • 更灵活的CPU集群组合（像是两个Cortex-A15和四个Cortex A7组成的SoC CPU部分）
  • 相比固定只能使用虚拟核心数量的CPU核心数，如有需要，可以实现SoC内所有的CPU核心一同运作以最大限度发挥SoC的运算性能

任务调度

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对于大小CPU核心（集群）成对配置的，它们之间的切换过程对操作系统来说是透明的，操作系统使用现成的动态电压与时钟信号调整（DVFS）功能来实现。操作系统核心现成的DVFS支持（像是Linux核心的cpufreq）将根据负载轻重，从预先设置的一个时钟信号-核心电压参数配置表中以合适的参数设置CPU的电压与主频，和此前仅需调整核心电压、主频的CPU一样，然而，较低的参数设置则会开启节电（小）CPU核心，而较高的参数设置则是开启高性能（大）CPU核心。

另一种相对的，则是所有的CPU核心都呈现给操作系统内核调度器，调度器将依据请求决定由哪个核心执行哪个行程或线程。这种调度方式需要非成对配置的CPU核心（集群），不过成对配置的CPU核心（集群）也可能允许使用。不过这种调度方式更考验操作系统内核调度器的调校功力（多核心处理器的性能优化），至少当前大多数的硬件中，多核心处理器的结构使用的是对称多处理器系统，big.LITTLE配置其实也不例外。

参见

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参考资料

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  1. ^ Nguyen, Hubert. What Is ARM big.LITTLE?. UberGizmo.com. 2013-01-17 [2017-04-26]. （原始内容存档于2015-09-10）. 
  2. ^ big.LITTLE technology. ARM.com. [2013-07-25]. （原始内容存档于2012-10-22）. 
  3. ^ ARM Unveils its Most Energy Efficient Application Processor Ever; Redefines Traditional Power And Performance Relationship With big.LITTLE Processing (新闻稿). ARM Holdings. 19 October 2011 [2012-10-31]. （原始内容存档于2018-05-07）. 
  4. ^ ARM Launches Cortex-A50 Series, the World’s Most Energy-Efficient 64-bit Processors (新闻稿). ARM Holdings. [2012-10-31]. （原始内容存档于2013-01-09）. 
  5. ^ ARM's new Cortex-A12 is ready to power 2014's $200 midrange smartphones. The Verge. April 2014 [2017-04-26]. （原始内容存档于2017-06-14）. 
  6. ^ ARM Cortex A17: An Evolved Cortex A12 for the Mainstream in 2015. AnandTech. April 2014 [2017-04-26]. （原始内容存档于2014-09-11）. 
  7. ^ Humrick, Matt. Exploring Dynamiq and ARM's New CPUs. Anandtech. 2017-05-29 [2017-07-10]. （原始内容存档于2018-06-13）. 
  8. ^ Brian Jeff. Ten Things to Know About big.LITTLE. ARM Holdings. 2013-06-18 [2013-09-17]. （原始内容存档于2013-09-10）. 
  9. ^ George Grey. big.LITTLE Software Update. Linaro. 2013-07-10 [2013-09-17]. （原始内容存档于2013-10-04）. 
  10. ^ Peter Clarke. Benchmarking ARM’s big-little architecture. 2013-08-06 [2013-09-17]. （原始内容存档于2013-10-17）. 
  11. ^ A Survey Of Techniques for Architecting and Managing Asymmetric Multicore Processors （页面存档备份，存于互联网档案馆）, ACM Computing Surveys, 2015.
  12. ^ Big.LITTLE Processing with ARM Cortex™-A15 & Cortex-A7 (PDF), ARM Holdings, September 2013 [2013-09-17], （原始内容 (PDF)存档于2012-04-17） 
  13. ^ Brian Klug. Samsung Announces big.LITTLE MP Support in Exynos 5420. AnandTech. 2013-09-11 [2013-09-16]. （原始内容存档于2020-11-12）. 
  14. ^ Samsung Unveils New Products from its System LSI Business at Mobile World Congress. Samsung Tomorrow. [2013-02-26]. （原始内容存档于2014-03-16）. 
  15. ^ The future is here: iPhone X. Apple Newsroom. [2018-02-25]. （原始内容存档于2018-04-01） （美国英语）. 

外部链接

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