iOS 開發人員應該知道的ARM 結構

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我在寫「NEON on iPhone 入門」的時候，曾以為讀者已經比較瞭解 iOS裝置的處理器知識。然而，看過網上的一些討論，我才發現，原來這些知識並不普及，我的錯。此外，我覺得瞭解這些東西對 iPhone編程有益（不僅僅針對喜歡 NEON
的人），即便你用的是 Objective－C，雖然，不瞭解也無礙工作，但這些知識會讓你成為一個更好的iPhone 程式員。

　　基礎

　　到目前為止，所有的 iOS 裝置都使用 ARM
結構處理器，它和台式機上的 x86 和 PowerPC 有些不同，然而絕對不是「特殊」或「小眾」的產品。幾乎所有的手機（不只是智能手機）都基於ARM，例如幾乎所有的 iPod，幾乎所有的 MP3 播放器，PDA 和 Pocket PC 更不用說了。任天堂從 GBA 開始轉入ARM，它甚至還侵入圖形計算機的地盤，出現在一些德儀和惠普的計算機中。如果你還想繼續溯本逐源，那麼牛頓用的也是 ARM（蘋果是 ARM的早期投資者）。而且上面只說了一些小玩意，還有無數的 ARM 處理器運行在嵌入式系統中。

　　ARM 處理器因為低功耗和小尺寸而聞名，它的效能在同等功耗的產品中也很出色。這種結構（至少在 iOS平台）使用小端（Little-endian）排序，就像 x86。它和 MIPS、PowerPC 一樣，屬於 32 位 RISC結構。請注意，模擬器並不運行 ARM 代碼，軟體會被編譯成 x86 可以啟動並執行指令。因此接下來的內容適用於目標裝置，而非模擬器。

　　ARMv7，ARM11，Cortex A8 和 A4，天哪！

　　多年來，ARM 結構演化出幾個不同的版本，每一版都增加了新指令，在提升的同時保持了與舊版相容的能力。初代 iPhone 使用了 ARMv6結構的處理器（ARM 第六版的簡稱），而最新的 iPhone 4 支援ARMv7。所以，編譯代碼的時候，依目標版本的指令集不同，產生不同的指令。組譯工具也一樣，代碼中使用的指令必須相容特定的版本。最後，產生機器碼，對應 ARMv6 或 ARMv7（或者 ARMv5 和 v4，不過 ARMv6 是 iOS開發的底線，所以這兩者就不用考慮了）。目標檔案和可執行檔有標註自己對應的版本，可以通過運行
otool -vh foo.o 來查看。

　　不過呢，「初代 iPhone 4 搭載了 ARMv6 處理器」這種說法是錯誤的，因為 ARMv6不是指特定的處理器，而是處理器可以啟動並執行指令集。初代 iPhone 使用了 ARM 11 核心（確切說是ARM1176JZF－S，不過這不重要，只要記得它是 ARM 11 家族的成員就行了），正如剛才提到的，這款處理器採用 ARMv6指令集。之後的 iOS 裝置仍採用 ARM11，直到 iPhone 3GS 發布，蘋果開始盡數轉向 Cortex A8處理器核心（儘管尚不確定，但 iPhone 4 很可能用的就是
A8 ）。這個核心採用了 ARMv7 指令集，或這麼說，它支援 ARMv7。

　　我已經說過，不要在程式裡植入裝置判斷代碼，然後通過已知資訊偵測裝置所支援的 ARM結構。這種代碼極不可靠，而且運行在（軟體完成後才發布的）新裝置上會導致中斷。所以請別這麼做，否則我發誓，我會跑到你家裡廢了你。以上知識是為了讓你粗略瞭解，有些裝置支援 ARMv7，有些裝置支援 ARMv6。至於如何偵測，我馬上會談到。

　　不過，你可能會想「iPad 和 iPhone 4 用的是 A4，不是 Cortex A8 吧？」不然，A4其實是一個完整的單片系統（SOC），其中不只有 Cortex A8核心，還包括了圖形硬體、音視頻編碼加速器和其他數字模組。單片系統和處理器是兩個很不相同的概念，處理器在矽片上甚至不佔主要空間。

　　如果不懂得如何利用，即使裝置支援 ARMv7也無濟於事。當然應用新的指令集也沒有問題，但如果總是這麼做，早先的裝置就無法運行你寫的代碼了，我猜，這也許不是你想要的結果。那麼，應該如何偵測裝置所支援的結構呢？— 只有確定它是否支援 ARMv7 才能好好利用啊。答案是：沒必要知道。相反，把代碼編譯兩次，一次針對ARMv6，另一次針對ARMv7，接著把這兩個可執行檔打包成一坨肥碩無比的二進位檔案。好了，啟動並執行時候，裝置會自己決定開啟哪一個更好。是的，Mach-O不僅可以用來組合完全不同的 CPU 結構（例如
PowerPC 和 Intel），或者相同結構的 32 位和 64位版本，它還可以對付同一種結構的 2 個變體，用 Mach-O 的術語來說，這叫 CPU子類。從程式員的角度看，這麼做的結果是：編譯時間決定一切。針對 ARMv6 編譯的代碼只運行在 ARMv6 裝置上，同理，針對 ARMv7編譯的代碼只運行在 ARMv7（或者更好）的裝置上。

　　如果你讀過了我寫的 NEON那帖，你也許會記得我推薦過一種在運行時（Runtime）中偵測和選擇結構的方法。如果再去看，你會發現我已經把那部分移走了，現在，我不建議那麼做，因為雖然這的確有用，但不能確保（或者說，所需技巧太複雜而不能確保不出錯）在將來的 ARMv8 處理器上能夠穩定運行。文檔中是否有相關 API的狀態不重要（不在 iOS 的手冊頁中），如果你想在 ARMv6 上運行又希望利用 ARM7v，就用我剛才講過的辦法。

　　補充一點：在 iOS 環境下，ARM 結構不一定能反映處理器的型號。例如，對應 ARMv6 的 iOS代碼需要浮點指令的支援（VFPv2，準確的說），對 ARMv6 而言，雖然這是可選項，不過自從第一代 iPhone發布以來就已經存在。所以，如果在 iOS 開發（例如編譯器 -arch 設定或一個可執行檔的 CPU 子類）中提到了ARMv6，就表示需要硬體浮點的支援。這對 ARMv7 和 NEON 也一樣：雖然 NEON 實際上是 ARMv7-A配置的一個可選項，但是因為它出現在所有支援 ARMv7 的
iOS 裝置中，所以，提到 iOS NEON 即部分提到 ARMv7。

　　條件執行

　　ARM 結構一個實用的功能是，大多數指令可以有條件地執行 — 如果條件不滿足，則指令無效。這可以縮短過程，讓區塊（Blocks）部署地更為有效。通常的辦法是，如果區塊不符合條件則跳過，但是通過把判斷指令植入塊內，省去了該步驟。

　　如果這僅僅是編譯器用來提高代碼效率的手段，我就不會在這裡提到它了。雖然，這的確是它的一個功用，但之所以提到是因為，在調試（Debugging）時，它可能會令人吃驚。事實上，有時你會發現，調試器會進入狀態為假的條件區塊（ifblock，例如早期的錯誤回報），或者進入 if-else的兩個分支。這是因為，雖然代碼盡數經過處理器，但是一部分沒有實際執行，即條件執行。另外，如果你把斷點置入這樣的條件區塊中，即使狀態為假，它仍有可能執行。

　　話雖如此，但是在我有限的測試中，編譯器似乎拒絕在調試配置中產生條件執行指令。因此它應該只發生在調試最佳化後的代碼的時候，不幸的是，有時候你沒得選擇，只能這麼做。

　　Thumb

　　Thumb 指令集是 ARM 指令集的一個子集，經過壓縮，因此指令只有 16bits（所有 ARM 指令的大小都是32bits，它仍然是 32 位結構，只是佔用的空間少了）這不是一個全然不同的結構，而應將其視作常見 ARM指令和功能的縮寫。它的優點，顯然是大為縮小代碼尺寸，節約記憶體和緩衝，以及代碼頻寬。雖然更適用於記憶體緊張的微控制器型應用程式，但是在 iOS裝置中，它仍然有用處，也因為如此，Xcode 預設在 iOS 項目中開啟這項功能。雖然代碼尺寸因此減少很多，但是不可能達到50%，因為有時候完成一個
ARM 指令需要對應的兩個 Thumb 指令。ARM 和 Thumb指令不能隨意混合，處理器需要針對二者切換不同的模式，而這隻能在調用或從函數返回時發生。

　　當目標平台是 ARMv6 的時候，編譯 Thumb 指令面臨著很大的權衡取捨。ARMv6 的 Thumb代碼可以訪問的寄存器較少，缺乏條件指令，特別是，它不能使用浮點硬體，例如浮點加法、減法、乘法等等。使用浮點 Thumb代碼必須調用系統函數，沒錯，聽起來就像速度很慢的感覺。基於這個原因，針對 ARMv6 時，我建議禁用 Thumb模式，但倘若你執意如此，請確保先分析代碼。如果某些部分速度很慢，至少先試著禁用那部分 Thumb（很容易，在 Xcode 中使用命令列參數，-mno-thumb）。請記住，浮點運算在
iOS 中非常普遍，因為 Quartz 和 Core Animation 使用浮點座標系統。

　　當目標變成了 ARMv7 的時候，所有這些缺點就消失了：ARMv7 包含 Thumb-2，它是 Thumb指令的擴充集，增加了條件執行和可以訪問所有 ARM 寄存器以及硬體浮點與 NEON 的 32 位 Thumb 指令。用 Thumb-2縮減代碼的代價幾乎沒有，所以最好是開著（如果關掉了請重新開啟）。在 Xcode 的條件產生選項中，對 ARMv7 開啟，對 ARMv6 關閉。

　　你也許在網上聽到人們說，代碼需要「互連」（Interworking）才能使用 Thumb，除非你想寫彙編代碼，否則不必擔心，因為 iOS平台的所有代碼都是互連的。當顯示彙編的時候，Shark 可能難以判斷函數是 ARM 還是Thumb。如果你看到無效或無意義的指令，最好互相對調一下。

　　對齊

　　iOS 支援非對齊訪問，然而比起對齊訪問，它的速度更慢，建議不要使用。在某些特殊情況下（涉及載入/儲存多個指令，如果你有興趣的話），非對齊訪問的速度可能比對齊訪問慢上百倍，因為處理器無法處理，而且必須請求作業系統的協助（參考此文，這和
PowerPC 上導致非對齊雙精確度浮點數變得超慢是同一個現象）。所以，要小心，而且，對齊仍然重要。

　　除法

　　這傢伙總讓每一個人吃驚。開啟 ARM 結構手冊（如果你還沒有，請看「NEON on iPhone 入門」的結構概覽那節），找到整數除法指令。去吧，我等你。找不到？正常正常，根本沒有的。是的，ARM 結構不支援硬體整數除法，必須通過軟體執行。如果你編譯下面的代碼：

int ThousandDividedBy(int divisor)
{
    return 1000/divisor;
}

　　在彙編代碼中，你會看到編譯器插入了一個調用函數的「___divsi3」— 這是一個系統函數，用來執行軟體除法（注意，除數不能恒定，否則除法可能會被轉換為乘法）。這意味著，在
ARM 上，整數除法實際代表了作業系統的效能。

　　「不過，」看完手冊歸來，你也許會說：「你錯啦！裡面有 ARM 除法指令，甚至還有兩個呢！在這裡，sdiv 和udiv！」不好意思給您頗涼水啦，這些指令只可用於 ARMv7-R 和 ARMv7-M 配置（分別指即時和嵌入式環境 —例如馬達的微控制器和手錶），iOS 裝置用的 ARMv7-A 不支援，很抱歉！

　　GCC

　　GCC 產生的 ARM 代碼品質之糟已不是秘密。在其他一些基於 ARM 的平台上，專業開發人員使用 ARM 自家提供的工具鏈 — RVDS。不過，RVDS
不支援 OSX 用的 Mach-O 運行時，只支援 ELF 運行時，所以在 iOS 平台上沒轍。但至少還有 GCC的替代品，比如現在可以用 LLVM。雖然我沒怎麼測試，但是當使用 LLVM 的時候，至少看到了 64 位元整數位的顯著改進（這一點，GCC
在 ARM 上尤其弱）。假以時日，LLVM 全面超越 GCC 可以指望。

　　你瞧，現在你是更好的 iOS 開發人員了！