浅谈ARM处理器架构

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让我们先从ARM处理器家族说起。

一、ARM 处理器家族

多年来， ARM 已经研发了相当多的不同的处理器产品。如下图中: ARM 处理器产品分为经典 ARM 处理器系列（下图分割线左侧）和最新的 Cortex处理器系列（下图分割线右侧）。并且根据应用范围的不同，ARM 处理器可以分类成 3 个系列。

Application Processors （应用处理器，下图橙色框部分）–面向移动计算，智能手机，服务器等市场的的高端处理器。这类处理器运行在很高的时钟频率（超过 1GHz），支持像 Linux，Android，MS Windows 和移动操作系统等完整操作系统需要的内存管理单元（MMU）。如果规划开发的产品需要运行上述其中的一个操作系统，你需要选择 ARM应用处理器。

Real-time Processors （实时处理器，下图灰色框部分）–面向实时应用的高性能处理器系列，例如硬盘控制器，汽车传动系统和无线通讯的基带控制。多数实时处理器不支持 MMU，不过通常具有 MPU、Cache 和其他针对工业应用设计的存储器功能。实时处理器运行在比较高的时钟频率（例如 200MHz 到 >1GHz ），响应延迟非常低。虽然实时处理器不能运行完整版本的 Linux 和 Windows 操作系统，但是支持大量的实时操作系统（RTOS）。

MicrocontrollerProcessors （微控制器处理器，下图绿色框部分）–微控制器处理器通常设计成面积很小和能效比很高。通常这些处理器的流水线很短，最高时钟频率很低（虽然市场上有此类的处理器可以运行在 200Mhz 之上）。并且，新的 Cortex-M处理器家族设计的非常容易使用。因此，ARM 微控制器处理器在单片机和深度嵌入式系统市场非常成功和受欢迎。

二、ARM三个系列处理器特点

三、目前，有哪些处理器是应用「ARM 架构」进行开发的？

ARM公司是一家知识产权（IP）供应商，它与一般的半导体公司最大的不同就是不制造芯片且不向终端用户出售芯片，而是通过转让设计方案（就是我们通常说的授权），由合作伙伴生产出各具特色的芯片。

笼统来说，ARM的授权分为三个层级：

使用层级授权、内核层级授权架构、指令集层级授权

这三个层级的权限是依次上升的。对芯片设计公司的要求也是从低到高，而发挥的空间也是从低到高：指令集层级授权（也成软核）发挥的空间最大，使用层级授权（也成硬核）发挥的空间最小。（比如代工厂台积电拿着图纸就可以施工，可以不用修改）。

买ARM使用层级授权（硬核）的芯片设计公司，用通俗的话说就是，使用ARM公版架构。这种情况下，芯片设计公司对外宣传必须带上ARM公司的品牌：CPU的品牌是Cortex-AXX（XX代表两位阿拉伯数字，第一个数字表示架构是第几代，第二个表示架构微调），GPU则是Mali-GXX（XX含义同上）。

如果用一个比较粗略但是好理解例子来说明这三个层级的权限，大体上我们可以这样理解：

假设我写了一篇文章，我只授权了你转发，不能更改，不能添油加醋，便是使用层级授权；我授权你可以在文章中引用我的文章，便是内核级授权；我授权你可以拿去修改、重组我的文章，形成一篇新的论文，便是架构层级授权。

注意，某一版本的架构层级授权，通常是永久性的。

目前，总共有超过1000家公司与ARM公司签订了威廉希尔官方网站使用许可协议，其中包括apple、Intel、Broadcom、IBM、LG、SONY、NXP和TI这样的大公司。但是敢于购买架构授权的，也只有15家左右，高通、苹果、Broadcom、Marvell、华为、三星都是典型的用户（也都是各自行业的扛把子）。

1）哪些处理器是采用ARM Cortex-M架构的？

可从 KEIL 的官网看到详细列表 https://www.keil.com/dd2/

2）哪些处理器是ARM Cortex-A架构的

以华为麒麟980为例，芯片集成的主要部件有CPU、GPU（俗称显卡）、ISP（处理拍照数据）、NPU（人工智能引擎）和基带（负责通信）。

根据官方资料，ISP是华为自研，NPU是华为和寒武纪公司合作的成果，但根据寒武纪的官方资料，NPU是寒武纪的成果，华为有人参与，可能是明确需求，并对集成到麒麟芯片内做调整，比如晶体管数量、功耗和芯片内总线连接等。总之，NPU可算作双方合作研发。
至于CPU（Cortex-A76）和GPU（Mali-G76）则是华为向ARM公司购买的授权，包括指令集授权和内核授权。
9 月 11 日凌晨，苹果发布的 iPhone 11、iPhone 11 Pro 和 iPhone 11 Pro Max搭载的A13 Bionic 处理器，苹果表示这款SoC拥有智能手机上最快CPU和GPU（暂时不能看到具体内核个数和架构系列），这是苹果基于ARMv8指令集自己定制的架构。

基于Cortex A15架构的TI的AM574x系列处理器（内核层级授权）。

基于Arm®Cortex-A7 and Cortex-M4 Cores的ST的STM32MP1（内核层级授权）。

3）哪些处理器是ARM Cortex-R架构的

基于ARM Cortex R5的Cypress的S6J3200系列。

基于ARM Cortex R4F的TI的 TMS5700714APZQQ1。

四、ARM的历史

1978年12月5日，物理学家赫尔曼·豪泽（Hermann Hauser）和工程师Chris Curry，在英国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。

起初，Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的16位芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。"一台售价500英镑的机器，不可能使用价格100英镑的CPU！"他们转而向Intel公司索要80286芯片的设计资料，但是遭到拒绝，于是被迫自行研发。（Intel会不会为当年的这个决定后悔万分？）

1985年，Roger Wilson和Steve Furber设计了他们自己的第一代32位、6M Hz的处理器，用它做出了一台RISC指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是ARM这个名字的由来。

RISC的全称是"精简指令集计算机"（reduced instruction set computer），它支持的指令比较简单，所以功耗小、价格便宜，特别合适移动设备。早期使用ARM芯片的典型设备，就是苹果公司的牛顿PDA。

1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司。苹果公司出资150万英镑，芯片厂商VLSI出资25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。公司的办公地点非常简陋，就是一个谷仓。

公司成立后，业务一度很不景气，工程师们人心惶惶，担心将要失业。由于缺乏资金，ARM做出了一个意义深远的决定：自己不制造芯片，只将芯片的设计方案授权（licensing）给其他公司，由它们来生产。正是这个模式，最终使得ARM芯片遍地开花，将封闭设计的Intel公司置于"人民战争"的汪洋大海。

20世纪90年代，ARM公司的业绩平平，处理器的出货量徘徊不前。但是进入21世纪之后，由于手机的快速发展，出货量呈现爆炸式增长，ARM处理器占领了全球手机市场。2006年，全球ARM芯片出货量为20亿片，2010年预计将达到45亿片。

2007年底，ARM的雇员总数为1728人，持有专利700项（另有900项正在申请批准中），全球分支机构31家，合作伙伴200家，年收入2.6亿英镑。

展望未来，即使Intel成功地实施了Atom战略，将x86芯片的功耗和价格大大降低，它与ARM竞争也将非常吃力。因为ARM的商业模式是开放的，任何厂商都可以购买授权，所以未来并不是Intel vs. ARM，而是Intel vs. 世界上所有其他半导体公司。那样的话，Intel的胜算能有多少呢？

注：以上文章部分参考许豆、阮一峰

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2020-8-18 15:21:08

谢谢，受启发了

cross武 · 2020-8-27 23:30:07

总结得不错，能讲讲各种架构的特点和优劣就更好了

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