iOS 开发者应该知道的 ARM 结构

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我在写「NEON on iPhone 入门」的时候，曾以为读者已经比较了解 iOS设备的处理器知识。然而，看过网上的一些讨论，我才发现，原来这些知识并不普及，我的错。此外，我觉得了解这些东西对 iPhone编程有益（不仅仅针对喜欢 NEON 的人），即便你用的是 Objective－C，虽然，不了解也无碍工作，但这些知识会让你成为一个更好的iPhone 程序员。

　　基础

　　到目前为止，所有的 iOS 设备都使用 ARM 结构处理器，它和台式机上的 x86 和 PowerPC 有些不同，然而绝对不是「特殊」或「小众」的产品。几乎所有的手机（不只是智能手机）都基于ARM，例如几乎所有的 iPod，几乎所有的 MP3 播放器，PDA 和 Pocket PC 更不用说了。任天堂从 GBA 开始转入ARM，它甚至还侵入图形计算器的地盘，出现在一些德仪和惠普的计算器中。如果你还想继续溯本逐源，那么牛顿用的也是 ARM（苹果是 ARM的早期投资者）。而且上面只说了一些小玩意，还有无数的 ARM 处理器运行在嵌入式系统中。

　　ARM 处理器因为低功耗和小尺寸而闻名，它的性能在同等功耗的产品中也很出色。这种结构（至少在 iOS平台）使用小端（Little-endian）排序，就像 x86。它和 MIPS、PowerPC 一样，属于 32 位 RISC结构。请注意，模拟器并不运行 ARM 代码，软件会被编译成 x86 可以运行的指令。因此接下来的内容适用于目标设备，而非模拟器。

　　ARMv7，ARM11，Cortex A8 和 A4，天哪！

　　多年来，ARM 结构演化出几个不同的版本，每一版都增加了新指令，在提升的同时保持了后向兼容的能力。初代 iPhone 使用了 ARMv6结构的处理器（ARM 第六版的简称），而最新的 iPhone 4 支持ARMv7。所以，编译代码的时候，依目标版本的指令集不同，生成不同的指令。汇编程序也一样，代码中使用的指令必须兼容特定的版本。最后，生成机器码，对应 ARMv6 或 ARMv7（或者 ARMv5 和 v4，不过 ARMv6 是 iOS开发的底线，所以这两者就不用考虑了）。目标文件和可执行文件有标注自己对应的版本，可以通过运行 otool -vh foo.o 来查看。

　　不过呢，「初代 iPhone 4 搭载了 ARMv6 处理器」这种说法是错误的，因为 ARMv6不是指特定的处理器，而是处理器可以运行的指令集。初代 iPhone 使用了 ARM 11 核心（确切说是ARM1176JZF－S，不过这不重要，只要记得它是 ARM 11 家族的成员就行了），正如刚才提到的，这款处理器采用 ARMv6指令集。之后的 iOS 设备仍采用 ARM11，直到 iPhone 3GS 发布，苹果开始尽数转向 Cortex A8处理器核心（尽管尚不确定，但 iPhone 4 很可能用的就是 A8 ）。这个核心采用了 ARMv7 指令集，或这么说，它支持 ARMv7。

　　我已经说过，不要在程序里植入设备判断代码，然后通过已知信息侦测设备所支持的 ARM结构。这种代码极不可靠，而且运行在（软件完成后才发布的）新设备上会导致中断。所以请别这么做，否则我发誓，我会跑到你家里废了你。以上知识是为了让你粗略了解，有些设备支持 ARMv7，有些设备支持 ARMv6。至于如何侦测，我马上会谈到。

　　不过，你可能会想「iPad 和 iPhone 4 用的是 A4，不是 Cortex A8 吧？」不然，A4其实是一个完整的单片系统（SOC），其中不只有 Cortex A8内核，还包括了图形硬件、音视频编码加速器和其他数字模块。单片系统和处理器是两个很不相同的概念，处理器在硅片上甚至不占主要空间。

　　如果不懂得如何利用，即使设备支持 ARMv7也无济于事。当然应用新的指令集也没有问题，但如果总是这么做，早先的设备就无法运行你写的代码了，我猜，这也许不是你想要的结果。那么，应该如何侦测设备所支持的结构呢？— 只有确定它是否支持 ARMv7 才能好好利用啊。答案是：没必要知道。相反，把代码编译两次，一次针对ARMv6，另一次针对ARMv7，接着把这两个可执行文件打包成一坨肥硕无比的二进制文件。好了，运行的时候，设备会自己决定打开哪一个更好。是的，Mach-O不仅可以用来组合完全不同的 CPU 结构（例如 PowerPC 和 Intel），或者相同结构的 32 位和 64位版本，它还可以对付同一种结构的 2 个变体，用 Mach-O 的术语来说，这叫 CPU子类。从程序员的角度看，这么做的结果是：编译时决定一切。针对 ARMv6 编译的代码只运行在 ARMv6 设备上，同理，针对 ARMv7编译的代码只运行在 ARMv7（或者更好）的设备上。

　　如果你读过了我写的 NEON那帖，你也许会记得我推荐过一种在运行时（Runtime）中侦测和选择结构的方法。如果再去看，你会发现我已经把那部分移走了，现在，我不建议那么做，因为虽然这的确有用，但不能确保（或者说，所需技巧太复杂而不能确保不出错）在将来的 ARMv8 处理器上能够稳定运行。文档中是否有相关 API的状态不重要（不在 iOS 的手册页中），如果你想在 ARMv6 上运行又希望利用 ARM7v，就用我刚才讲过的办法。

　　补充一点：在 iOS 环境下，ARM 结构不一定能反映处理器的型号。例如，对应 ARMv6 的 iOS代码需要浮点指令的支持（VFPv2，准确的说），对 ARMv6 而言，虽然这是可选项，不过自从第一代 iPhone发布以来就已经存在。所以，如果在 iOS 开发（例如编译器 -arch 设置或一个可执行文件的 CPU 子类）中提到了ARMv6，就表示需要硬件浮点的支持。这对 ARMv7 和 NEON 也一样：虽然 NEON 实际上是 ARMv7-A配置的一个可选项，但是因为它出现在所有支持 ARMv7 的 iOS 设备中，所以，提到 iOS NEON 即部分提到 ARMv7。

　　条件执行

　　ARM 结构一个实用的功能是，大多数指令可以有条件地执行 — 如果条件不满足，则指令无效。这可以缩短过程，让区块（Blocks）部署地更为有效。通常的办法是，如果区块不符合条件则跳过，但是通过把判断指令植入块内，省去了该步骤。

　　如果这仅仅是编译器用来提高代码效率的手段，我就不会在这里提到它了。虽然，这的确是它的一个功用，但之所以提到是因为，在调试（Debugging）时，它可能会令人吃惊。事实上，有时你会发现，调试器会进入状态为假的条件区块（ifblock，例如早期的错误回报），或者进入 if-else的两个分支。这是因为，虽然代码尽数经过处理器，但是一部分没有实际执行，即条件执行。另外，如果你把断点置入这样的条件区块中，即使状态为假，它仍有可能执行。

　　话虽如此，但是在我有限的测试中，编译器似乎拒绝在调试配置中生成条件执行指令。因此它应该只发生在调试优化后的代码的时候，不幸的是，有时候你没得选择，只能这么做。

　　Thumb

　　Thumb 指令集是 ARM 指令集的一个子集，经过压缩，因此指令只有 16bits（所有 ARM 指令的大小都是32bits，它仍然是 32 位结构，只是占用的空间少了）这不是一个全然不同的结构，而应将其视作常见 ARM指令和功能的缩写。它的优点，显然是大为缩小代码尺寸，节约内存和缓存，以及代码带宽。虽然更适用于内存紧张的微控制器型应用程序，但是在 iOS设备中，它仍然有用处，也因为如此，Xcode 默认在 iOS 项目中打开这项功能。虽然代码尺寸因此减少很多，但是不可能达到50%，因为有时候完成一个 ARM 指令需要对应的两个 Thumb 指令。ARM 和 Thumb指令不能随意混合，处理器需要针对二者切换不同的模式，而这只能在调用或从函数返回时发生。

　　当目标平台是 ARMv6 的时候，编译 Thumb 指令面临着很大的权衡取舍。ARMv6 的 Thumb代码可以访问的寄存器较少，缺乏条件指令，特别是，它不能使用浮点硬件，例如浮点加法、减法、乘法等等。使用浮点 Thumb代码必须调用系统函数，没错，听起来就像速度很慢的感觉。基于这个原因，针对 ARMv6 时，我建议禁用 Thumb模式，但倘若你执意如此，请确保先分析代码。如果某些部分速度很慢，至少先试着禁用那部分 Thumb（很容易，在 Xcode 中使用命令行参数，-mno-thumb）。请记住，浮点运算在 iOS 中非常普遍，因为 Quartz 和 Core Animation 使用浮点坐标系统。

　　当目标变成了 ARMv7 的时候，所有这些缺点就消失了：ARMv7 包含 Thumb-2，它是 Thumb指令的扩展集，增加了条件执行和可以访问所有 ARM 寄存器以及硬件浮点与 NEON 的 32 位 Thumb 指令。用 Thumb-2缩减代码的代价几乎没有，所以最好是开着（如果关掉了请重新打开）。在 Xcode 的条件生成选项中，对 ARMv7 打开，对 ARMv6 关闭。

　　你也许在网上听到人们说，代码需要「互通」（Interworking）才能使用 Thumb，除非你想写汇编代码，否则不必担心，因为 iOS平台的所有代码都是互通的。当显示汇编的时候，Shark 可能难以判断函数是 ARM 还是Thumb。如果你看到无效或无意义的指令，最好互相对调一下。

　　对齐

　　iOS 支持非对齐访问，然而比起对齐访问，它的速度更慢，建议不要使用。在某些特殊情况下（涉及加载/存储多个指令，如果你有兴趣的话），非对齐访问的速度可能比对齐访问慢上百倍，因为处理器无法处理，而且必须请求操作系统的协助（参考此文，这和 PowerPC 上导致非对齐双精度浮点数变得超慢是同一个现象）。所以，要小心，而且，对齐仍然重要。

　　除法

　　这家伙总让每一个人吃惊。打开 ARM 结构手册（如果你还没有，请看「NEON on iPhone 入门」的结构概览那节），找到整数除法指令。去吧，我等你。找不到？正常正常，根本没有的。是的，ARM 结构不支持硬件整数除法，必须通过软件执行。如果你编译下面的代码：

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

　　在汇编代码中，你会看到编译器插入了一个调用函数的「___divsi3」— 这是一个系统函数，用来执行软件除法（注意，除数不能恒定，否则除法可能会被转换为乘法）。这意味着，在 ARM 上，整数除法实际代表了操作系统的性能。

　　「不过，」看完手册归来，你也许会说：「你错啦！里面有 ARM 除法指令，甚至还有两个呢！在这里，sdiv 和udiv！」不好意思给您颇凉水啦，这些指令只可用于 ARMv7-R 和 ARMv7-M 配置（分别指实时和嵌入式环境 —例如马达的微控制器和手表），iOS 设备用的 ARMv7-A 不支持，很抱歉！

　　GCC

　　GCC 生成的 ARM 代码质量之糟已不是秘密。在其他一些基于 ARM 的平台上，专业开发者使用 ARM 自家提供的工具链 — RVDS。不过，RVDS 不支持 OSX 用的 Mach-O 运行时，只支持 ELF 运行时，所以在 iOS 平台上没辙。但至少还有 GCC的替代品，比如现在可以用 LLVM。虽然我没怎么测试，但是当使用 LLVM 的时候，至少看到了 64 位整数码的显著改进（这一点，GCC 在 ARM 上尤其弱）。假以时日，LLVM 全面超越 GCC 可以指望。

　　你瞧，现在你是更好的 iOS 开发者了！