Arm架構(gòu)知識歸納總結(jié)

近十年的移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，讓智能手機大規(guī)模普及，也帶火了一個曾經(jīng)并不為人廣泛知道的公司——ARM。這家成立于英國劍橋的芯片設(shè)計公司在1985年研發(fā)出了精簡指令集架構(gòu)處理器，名為Acorn RISC Machine，而簡稱就是著名的ARM。作為一家處理器設(shè)計公司，其研發(fā)的ARM架構(gòu)最初面向的是低功耗、低成本、高性能處理器。

ARM架構(gòu)是一種采用獨特的ARM指令集系統(tǒng)、并且根據(jù)不同適用范圍開發(fā)的處理器體系結(jié)構(gòu)。經(jīng)過30多年的發(fā)展，目前ARM架構(gòu)有針對不同類型計算設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)。簡單來說有這幾種。

Cortex-A：針對高性能計算。如我們目前手機SoC中常出現(xiàn)的Cortex-A76等。

Cortex-R：針對實時操作處理。主要是面向嵌入式實時處理器。在汽車的電子制動系統(tǒng)，工業(yè)控制領(lǐng)域等領(lǐng)域比較常見。

Cortex-M：專為低功耗、低成本系統(tǒng)設(shè)計。目前火熱的IoT領(lǐng)域常常見到采用Cortex-M架構(gòu)的處理器。

ARM架構(gòu)，更主要的是ARM指令集系統(tǒng)。不同于x86架構(gòu)的復(fù)雜指令集（CISC）架構(gòu)，是一種精簡指令集（RISC）架構(gòu)。相對于CISC架構(gòu)處理器，采用精簡指令集設(shè)計的ARM架構(gòu)設(shè)計目標(biāo)是能在盡量高的時鐘頻率下通過很少周期執(zhí)行的指令集。大幅減少不常用的指令，降低芯片復(fù)雜度。采用Load/Store指令體系結(jié)構(gòu)，處理器通過load、store指令存取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，針對邏輯、算術(shù)等運算，CPU只處理寄存器中的數(shù)據(jù)。同時由于這個原因，包括ARM在內(nèi)的很多RISC架構(gòu)處理器都有很多寄存器來存放指令及數(shù)據(jù)。為了方便指令的解碼，雖然ARM處理器不是單周期指令，但是其絕大多數(shù)指令是定長的，加快了常用操作的速度。

同時ARM也沒有完全局限于此，ARM架構(gòu)還有像Thumb指令集、條件執(zhí)行等技術(shù)，進一步提高處理器效率。

所以總結(jié)來說，ARM架構(gòu)就是采用精簡指令集計算機結(jié)構(gòu)、但有自己特色，根據(jù)不同用途有不同型號的處理器架構(gòu)。

那么為什么高通、三星以來都用ARM架構(gòu)呢？

有以下幾點原因可供參考。

首先是授權(quán)。眾所周知，x86架構(gòu)由于授權(quán)問題只有幾家可以生產(chǎn)，包括現(xiàn)在的Intel、AMD，曾經(jīng)的威盛。而全美達也只是生產(chǎn)出了基于純軟件模擬x86處理器的CPU。國內(nèi)的兆芯及海光也有一定的授權(quán)限制。

除了x86外，另一套著名的指令集系統(tǒng)MIPS是可以授權(quán)生產(chǎn)的，雖然授權(quán)費用比較貴，但是其靈活性極高，所以出現(xiàn)了比較嚴重的“碎片化”。有能力設(shè)計的都在自主設(shè)計微架構(gòu)、添加指令等。如國內(nèi)的龍芯、索尼的PSP游戲機等。

而ARM的授權(quán)方式有多種。首先是處理器授權(quán)，這種授權(quán)方式只授權(quán)已經(jīng)設(shè)計好的內(nèi)核，工廠等買到后自己發(fā)揮的余地不多。如海思部分麒麟處理器就是采用這種方式。還有一種是架構(gòu)/指令集授權(quán)，這種方式在微結(jié)構(gòu)設(shè)計上有更多的靈活性，如蘋果的vortex，三星的M3、M4、高通的Krait等。同時即使廠商在定制自己的微架構(gòu)，但是在指令集上有限制，這樣即使廠商修改軟件層面如編譯器等工具，也不需要大更改。所以出現(xiàn)了現(xiàn)在Android手機處理器多家爭鳴的情況。既保證了兼容性，廠商又能充分發(fā)揮。所以高通、三星等廠商選擇ARM處理器也是最好的選擇。

雖然現(xiàn)在MIPS及IBM的Power架構(gòu)也已開源，而且現(xiàn)在也有RISC-V這樣一開始就開源且已初具規(guī)模的開源指令集及架構(gòu)，但是獨特的授權(quán)策略讓ARM擁有了一批忠實擁躉。

其次是適用范圍。雖然ARM架構(gòu)在強調(diào)低功耗高性能，但是其在近幾年前適用范圍還是相對較窄的，一直活躍在嵌入式、手持設(shè)備等低功耗領(lǐng)域。合作伙伴也是多生產(chǎn)低功耗處理器。甚至Intel也曾經(jīng)出品過基于ARM指令集的XScale處理器，Dell曾經(jīng)生產(chǎn)過基于這個處理器的PDA（恍如隔世，很老的概念了）。而本世紀頭十年最火的手機品牌諾基亞的塞班智能手機中也使用過ARM11架構(gòu)的處理器。而現(xiàn)在高通、三星是重要的手機SoC設(shè)計生產(chǎn)商，所以他們選擇ARM架構(gòu)不僅可以迅速切入低功耗處理器市場，而且也可以借助ARM的豐富經(jīng)驗快速設(shè)計出強大的處理器。

最后就是乘上了移動互聯(lián)網(wǎng)的東風(fēng)，在智能手機最需要計算性能的時候提供了足夠的性能，為處理器設(shè)計生產(chǎn)廠商提供了足夠的經(jīng)驗。ARM公司早在2002年（距2019年已經(jīng)17年了）就開發(fā)出了ARM11架構(gòu)及處理器。而到了8年之后的2010年，依舊有手機使用ARM11架構(gòu)處理器的手機，如曾經(jīng)小編使用過的摩托羅拉ME600后空翻使用的是高通MSM7201A SoC，其CPU部分就是ARM11架構(gòu)。而隨后Cortex-A8早在2005年就研發(fā)完成了。所以等Android手機開始興起時，ARM公司及其合作伙伴就已經(jīng)擁有足夠的經(jīng)驗了，而性能也符合當(dāng)時Android手機的需求?，F(xiàn)在高通的驍龍?zhí)幚砥骷叭堑腅xynos處理器在Android手機界是重要的組成部分，所生產(chǎn)的SoC CPU部分都是采用ARM設(shè)計的內(nèi)核或指令集的。

高通，三星等公司就是因為與ARM公司緊密的合作讓我們擁有了現(xiàn)在這么強大的智能手機，所以他們算是休戚與共了。同時高通、三星在依賴ARM提供的處理器架構(gòu)、指令集的同時，ARM也需要像三星、臺積電等公司的支持，將還是代碼的處理器內(nèi)核編程實際的硅芯片。所以這并不是一個誰依賴誰的問題，而是各方通力合作的結(jié)果。