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特色和應(yīng)用

自2005年，每年超過一億的手機銷售約98%至少使用了一個ARM處理器。 截至2009年，占大約90%的所有嵌入式32位RISC處理器 和ARM處理器被廣泛使用在消費性電子產(chǎn)品，包括個人數(shù)字助理（PDA）、平板電腦、移動電話、數(shù)字媒體和音樂播放器、手持式游戲游戲機、計算器和計算機外圍設(shè)備（如硬盤驅(qū)動器和路由器）。

歷史

  一顆主要用于路由器的科勝訊公司ARM處理器

  用于松下多媒體播放機的芯片

ARM的設(shè)計是艾康電腦公司于1983年開始的開發(fā)項目。

這個團(tuán)隊由Roger Wilson和Steve Furber帶領(lǐng)，著手開發(fā)一種類似高級6502架構(gòu)的處理器。Acorn電腦有一大堆建構(gòu)在6502處理器上的電腦，因此能設(shè)計出一顆類似的芯片即意味著對公司有很大的優(yōu)勢。

Acorn RISC Machine：ARM2

  用在BBC Micro上的ARM1 second processor

團(tuán)隊在1985年時開發(fā)出樣本“ARM1”，而首顆真正能量產(chǎn)的“ARM2”于次年投產(chǎn)。ARM2具有32位的數(shù)據(jù)總線、26位的定址空間，并提供64 Mbyte的定址范圍與16個32-bit的寄存器。寄存器中有一個作為程序計數(shù)器，其前面6位和后面2位用來保存處理器狀態(tài)標(biāo)記。ARM2可能是全世界最簡單實用的32位微處理器，僅容納了30,000個晶體管（六年后的摩托羅拉68000包含了70,000顆）。之所以精簡的原因在于它不含微碼（這大概占了68000的晶體管數(shù)約1/4至1/3）；而且與當(dāng)時大多數(shù)的處理器相同，它沒有包含任何的高速緩存。這個精簡的特色使它只需消耗很少的電能，卻能發(fā)揮比Intel 80286更好的性能 。后繼的處理器“ARM3”則備有4KB的高速緩存，使它能發(fā)揮更佳的性能。

Apple、DEC、Intel、Marvell：ARM6、StrongARM、XScale

在1980年代晚期，蘋果電腦開始與艾康電腦合作開發(fā)新版的ARM核心。由于這項目非常重要，艾康電腦甚至于1990年將設(shè)計團(tuán)隊另組成一間名為安謀國際科技（Advanced RISC Machines Ltd.）的新公司。也基于這原因，使得ARM有時候反而稱作Advanced RISC Machine而不是Acorn RISC Machine。由于其母公司ARM Holdings plc于1998年在倫敦證券交易所和NASDAQ掛牌上市 ，使得Advanced RISC Machines成了ARM Ltd旗下?lián)碛械漠a(chǎn)品 。

這個項目到后來進(jìn)入了“ARM6”，首版的樣品在1991年發(fā)布，然后蘋果電腦使用ARM6架構(gòu)的ARM 610來當(dāng)作他們Apple Newton產(chǎn)品的處理器。在1994年，艾康電腦使用ARM 610做為他們個人電腦產(chǎn)品的處理器。

在這些變革之后，內(nèi)核部分卻大多維持一樣的大小——ARM2有30,000顆晶體管，但ARM6卻也只增長到35,000顆。主要概念是以O(shè)DM的方式，使ARM核心能搭配一些選配的零件而制成一顆完整的CPU，而且可在現(xiàn)有的晶圓廠里制作并以低成本的方式達(dá)到很大的性能。

ARM的經(jīng)營模式在于出售其IP核，授權(quán)廠家依照設(shè)計制作出建構(gòu)于此核的微控制器和中央處理器。最成功的實現(xiàn)案例屬ARM7TDMI，幾乎賣出了數(shù)億套內(nèi)置微控制器的設(shè)備。

Digital曾購買這個架構(gòu)的產(chǎn)權(quán)并研發(fā)出“StrongARM”。在233 MHz的頻率下，這顆CPU只消耗1瓦特的電能（后來的芯片消耗得更少）。這項設(shè)計后來為了和英特爾的控訴和解而技術(shù)移轉(zhuǎn)，英特爾因而利用StrongARM架構(gòu)補強他們老舊的i960產(chǎn)品。英特爾后來開發(fā)出他們自有的高性能架構(gòu)產(chǎn)品XScale，之后賣給了邁威爾科技。

支持智能型手機、個人數(shù)碼助理和其他手持設(shè)備最常見的架構(gòu)是“ARMv4”。XScale和ARM926處理器是“ARMv5TE”，而且比起建構(gòu)在ARMv4的StrongARM、ARM925T和ARM7TDMI等處理器還更常見于許多高級設(shè)備上。

內(nèi)核種類

由ARM提供了一個廠商匯總，是在其設(shè)計中實現(xiàn)ARM內(nèi)核的眾多廠商一個總結(jié)。

架構(gòu)

從1995年開始，《ARM體系結(jié)構(gòu)參考手冊》是ARM文檔的主要來源，提供了關(guān)于ARM處理器架構(gòu)和指令集，區(qū)分接口，所有的ARM處理器的支持（如指令語義）的實現(xiàn)細(xì)節(jié)可能會有所不同。該體系結(jié)構(gòu)隨著時間的演變，并與Cortex系列的核心開始，存在三個“配置”的定義如下：

"應(yīng)用"配置: Cortex-A 系列

"嵌入式"配置: Cortex-R 系列

"微處理器"配置: ARM Cortex-M 系列。

每個配置允許有其子集的架構(gòu)。例如，用于ARMv6-M配置（所使用的Cortex M0 / M0+/ M1）的一個子集ARMv7-M架構(gòu)（支持較少的指令）。

CPU模式

CPU ARM架構(gòu)指定了以下的CPU模式。在任何時刻，CPU只可處于某一種模式，但可由于外部事件（中斷）或編程方式進(jìn)行模式切換。

指令集

講求精簡又快速的設(shè)計方式，整體電路化卻又不采用微碼，就像早期使用在艾康微電腦的8位6502處理器。

ARM架構(gòu)包含了以下精簡指令集處理器的特性：

讀?。鎯軜?gòu)

不支持地址不對齊存儲器訪問（ARMv6內(nèi)核現(xiàn)已支持）

大量的16 × 32-bit寄存器堆

固定的32 bits操作碼（opcode）長度，降低編碼數(shù)量所產(chǎn)生的耗費，減輕解碼和流水線化的負(fù)擔(dān)。

大多均為一個CPU周期運行。

為了補強這種簡單的設(shè)計方式，相較于同時期的處理器如Intel 80286和Motorola 68020，還多加了一些特殊設(shè)計：

大部分指令可以條件式地運行，降低在分支時產(chǎn)生的負(fù)重，彌補分支預(yù)測器的不足。

算數(shù)指令只會在要求時更改條件編碼

32-bit筒型位移器可用來運行大部分的算數(shù)指令和定址計算而不會損失性能

強大的索引尋址模式

支持快速葉端函數(shù)調(diào)用的鏈寄存器

精簡但快速的雙優(yōu)先級中斷子系統(tǒng)，具有可切換的寄存器組

算術(shù)指令

寄存器

寄存器 R0-R7 對于所有CPU模式都是相同的，它們不會被分塊。

對于所有的特權(quán)CPU模式，除了系統(tǒng)CPU模式之外，R13和R14都是分塊的。也就是說，每個因為一個異常（exception）而可以進(jìn)入模式，有其自己的R13和R14。這些寄存器通常分別包含堆棧指針和函數(shù)調(diào)用的返回地址。

同名的名稱:

R13 也被指為 SP（Stack Pointer）

R14 也被指為 LR（Link Register）

R15 也被指為 PC（Program Counter）

有條件運行

有個附加在ARM設(shè)計中好玩的東西，就是使用一個4-bit 條件編碼 在每個指令前頭，表示每支指令的運行是否為有條件式的

這大大的減低了在存儲器訪問指令時用到的編碼位，換句話說，它避免在對小型敘述如 if 做分支指令。有個標(biāo)準(zhǔn)的示例引用歐幾里得的最大公因數(shù)算法：

在C語言中，循環(huán)為：

intgcd（inti,intj）{while（i!=j）if（i>j）i-=j;elsej-=i;returni;}

在ARM匯編語言中，循環(huán)為：

loop:CMPRi,Rj;設(shè)定條件為"NE"(不等於)if（i!=j）;"GT"(大於)if（i>j）,;或"LT"(小於)if（i<j）SUBGTRi,Ri,Rj;若"GT"(大於),i=i-j;SUBLTRj,Rj,Ri;若"LT"(小於),j=j-i;BNEloop;若"NE"(不等於)，則繼續(xù)循環(huán)

這避開了 then 和 else 子句之間的分支。

其他特色

另一項指令集的特色是，能將位移（shift）和回轉(zhuǎn)（rotate）等功能并成"數(shù)據(jù)處理"型的指令（算數(shù)、邏輯、和寄存器之間的搬移），因此舉例來說，一個C語言的敘述

a+=(j<<2);

在ARM之下，可簡化成只需一個word和一個cycle即可完成的指令

ADDRa,Ra,Rj,LSL#2

這結(jié)果可讓一般的ARM程序變得更加緊密，而不需經(jīng)常使用存儲器訪問，流水線也可以更有效地使用。即使在ARM以一般認(rèn)定為慢速的速度下運行，與更復(fù)雜的CPU設(shè)計相比它仍能運行得不錯。

ARM處理器還有一些在其他RISC的架構(gòu)所不常見到的特色，例如程序計數(shù)器-相對定址（的確在ARM上程序計數(shù)器為16個寄存器的其中一個）以及前遞加或后遞加的定址模式。

另外值得注意的是ARM處理器會隨著時間不斷地增加它的指令集。譬如某些早期的ARM處理器（比ARM7TDMI更早），可能并未具備指令可以讀取2 Bytes的數(shù)量；因此嚴(yán)格來講，對這些處理器產(chǎn)生代碼時，就不可能處理如C語言對象中使用“volatile short”的數(shù)據(jù)類型。

流水線

ARM7和大多數(shù)較早的設(shè)計具備三階段的流水線：提取指令、解碼，并運行。較高性能的設(shè)計，如ARM9，則有更深階段的流水線： Cortex-A8有13階段的流水線。提高性能的額外方式，包含一顆較快的加法器，和更廣的分支預(yù)測邏輯線路。例如，在ARM7DI核與ARM7DMI核之間的差異，是一種改進(jìn)的乘法器（因此添加的“M”）。

輔助處理器

這個架構(gòu)使用“輔助處理器”提供一種非侵入式的方法來延伸指令集，可通過軟件下MCR、MRC、MRRC和MCRR等指令來對輔助處理器定址。輔助處理器空間邏輯上通常分成16個輔助處理器，編號分別從0至15；而第15號輔助處理器是保留用作某些常用的控制功能，像是使用高速緩存和記憶管理單元運算（若包含于處理器時）。

在ARM架構(gòu)的機器中，周邊設(shè)備連接處理器的方式，通常通過將設(shè)備的實體寄存器對應(yīng)到ARM的存儲器空間、輔助處理器空間，或是連接到另外依序接上處理器的設(shè)備（如總線）。輔助處理器的訪問延遲較低，所以有些周邊設(shè)備（例如XScale中斷控制器）會設(shè)計成可通過不同方式訪問（通過存儲器和輔助處理器）。

調(diào)試

Thumb

較新的ARM處理器有一種16-bit指令模式，叫做Thumb，也許跟每個條件式運行指令均耗用4位的情形有關(guān)。在Thumb模式下，較小的opcode有更少的功能性。例如，只有分支可以是條件式的，且許多opcode無法訪問所有CPU的寄存器。然而，較短的opcode提供整體更佳的編碼密度（注：意指代碼在存儲器中占的空間），即使有些運算需要更多的指令。特別在存儲器端口或總線寬度限制在32以下的情形時，更短的Thumb opcode能更有效地使用有限的存儲器帶寬，因而提供比32位代碼更佳的性能。典型的嵌入式硬件僅具有較小的32-bit datapath定址范圍以及其他更窄的16 bits定址（例如Game Boy Advance）。在這種情形下，通常可行的方案是編譯成Thumb代碼，并自行最優(yōu)化一些使用（非Thumb）32位指令集的CPU相關(guān)程序區(qū)，因而能將它們置入受限的32-bit總線寬度的存儲器中。

首顆具備Thumb技術(shù)的處理器是ARM7TDMI。所有ARM9和后來的家族，包括XScale，都納入了Thumb技術(shù)。

Jazelle

ARM還開發(fā)出一項技術(shù)，Jazelle DBX（Direct Bytecode eXecution），允許它們在某些架構(gòu)的硬件上加速運行Java bytecode，就如其他運行模式般，當(dāng)調(diào)用一些無法支持bytecodes的特殊軟件時，能提供某些bytecodes的加速運行。它能在現(xiàn)存的ARM與Thumb模式之間互相運行。

首顆具備Jazelle技術(shù)的處理器是“ARM7EJ-S”：Jazelle以一個英文字母"J"標(biāo)示于CPU名稱中。它用來讓手機制造商能夠加速運行Java ME的游戲和應(yīng)用程序，也因此促使了這項技術(shù)不斷地開發(fā)。

Thumb-2

Thumb-2技術(shù)首見于“ARM1156核心”，并于2003年發(fā)表。Thumb-2擴(kuò)充了受限的16位Thumb指令集，以額外的32位指令讓指令集的使用更廣泛。因此Thumb-2的預(yù)期目標(biāo)是要達(dá)到近乎Thumb的編碼密度，但能表現(xiàn)出近乎ARM指令集在32位存儲器下的性能。

Thumb-2至今也從ARM和Thumb指令集中衍伸出多種指令，包含位段操作、分支建表和條件運行等功能。

Thumb Execution Environment（ThumbEE）

ThumbEE，也就是所謂的Thumb-2EE，業(yè)界稱為Jazelle RCT技術(shù)，于2005年發(fā)表，首見于“Cortex-A8”處理器。ThumbEE提供從Thumb-2而來的一些擴(kuò)充性，在所處的運行環(huán)境下，使得指令集能特別適用于運行階段的編碼產(chǎn)生（例如即時編譯）。Thumb-2EE是專為一些語言如Limbo、Java、C#、Perl和Python，并能讓即時編譯器能夠輸出更小的編譯碼卻不會影響到性能。

ThumbEE所提供的新功能，包括在每次訪問指令時自動檢查是否有無效指針，以及一種可以運行數(shù)組范圍檢查的指令，并能夠分支到分類器，其包含一小部分經(jīng)常調(diào)用的編碼，通常用于高級語言功能的實現(xiàn)，例如對一個新對象做存儲器配置。

高級SIMD（NEON）

高級SIMD延伸集，業(yè)界稱為“NEON”技術(shù)，它是一個結(jié)合64位和128位的單指令多重數(shù)指令集（SIMD），其針對多媒體和信號處理程序具備標(biāo)準(zhǔn)化加速的能力。NEON可以在10 MHz的處理器上運行MP3音效解碼，且可以運行13 MHz以下的自適應(yīng)多速率音頻壓縮編碼。NEON具有一組廣泛的指令集、各自的寄存器陣列，以及獨立運行的硬件。NEON支持8、16、32和64位的整數(shù)及單精度浮點數(shù)據(jù)，并以單指令多重數(shù)的方式運算，運行圖形和游戲處理中關(guān)于語音及視頻的部分。單指令多重指令集在向量超級處理機中是個決定性的要素，它具備同時多項處理功能。在NEON技術(shù)中，SIMD最高可同時做16個運算。

VFP

VFP（向量浮點）是在協(xié)同處理器針對ARM架構(gòu)的派生技術(shù)。它提供低成本的單精度和倍精度浮點運算能力，并完全兼容于ANSI/IEEE Std 754-1985二進(jìn)制浮點算數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。VFP提供大多數(shù)適用于浮點運算的應(yīng)用，例如PDA、智能手機、語音壓縮與解壓、3D圖像以及數(shù)字音效、打印機、機頂盒，和汽車應(yīng)用等。VFP架構(gòu)也支持SIMD平行化的短向量指令運行。這在圖像和信號處理等應(yīng)用上，非常有助于降低編碼大小并增加輸出效率。

在ARM為基礎(chǔ)的處理器中，其他可見的浮點、或SIMD的協(xié)同處理器還包括了FPA、FPE、iwMMXt。他們提供類似VFP的功能，但在opcode層面上來說并不具有兼容性。

安全性擴(kuò)充（TrustZone）

TrustZone技術(shù)出現(xiàn)在ARMv6KZ以及較晚期的應(yīng)用核心架構(gòu)中。它提供了一種低成本的方案，針對系統(tǒng)單片機內(nèi)加入專屬的安全核心，由硬件建構(gòu)的訪問控制方式支持兩顆虛擬的處理器。這個方式可使得應(yīng)用程序核心能夠在兩個狀態(tài)（領(lǐng)域）之間切換，在此架構(gòu)下可以避免信息從較可信的核心領(lǐng)域泄漏至較不安全的領(lǐng)域。這種內(nèi)核領(lǐng)域之間的切換通常是與處理器其他功能完全無關(guān)系性，因此各個領(lǐng)域可以各自獨立運作但卻仍能使用同一顆內(nèi)核。存儲器和周邊設(shè)備也可因此得知目前內(nèi)核運作的領(lǐng)域為何，并能針對這個方式來提供對設(shè)備的機密和編碼進(jìn)行訪問控制。典型的TrustZone技術(shù)應(yīng)用是要能在一個缺乏安全性的環(huán)境下完整地運行操作系統(tǒng)，并在可信的環(huán)境下能有更少的安全性的編碼。T6 是中國第一個開源的TrustZone安全內(nèi)核。

ARM授權(quán)方式

ARM公司本身并不靠自有的設(shè)計來制造或出售CPU，而是將處理器架構(gòu)授權(quán)給有興趣的廠家。ARM提供了多樣的授權(quán)條款，包括售價與散播性等項目。對于授權(quán)方來說，ARM提供了ARM內(nèi)核的集成硬件敘述，包含完整的軟件開發(fā)工具（編譯器、debugger、SDK），以及針對內(nèi)含ARM CPU硅芯片的銷售權(quán)。對于無晶圓廠的授權(quán)方來說，其希望能將ARM內(nèi)核集成到他們自行研發(fā)的芯片設(shè)計中，通常就僅針對獲取一份生產(chǎn)就緒的智財核心技術(shù)（IP Core）認(rèn)證。對這些客戶來說，ARM會發(fā)布所選的ARM核心的閘極電路圖，連同抽象模擬模型和測試程序，以協(xié)助設(shè)計集成和驗證。需求更多的客戶，包括集成組件制造商（IDM）和晶圓廠家，就選擇可合成的RTL（寄存器傳輸級，如Verilog）形式來獲取處理器的知識產(chǎn)權(quán)（IP）。借著可集成的RTL，客戶就有能力能進(jìn)行架構(gòu)上的最優(yōu)化與加強。這個方式能讓設(shè)計者完成額外的設(shè)計目標(biāo)（如高震蕩頻率、低能量耗損、指令集延伸等）而不會受限于無法更動的電路圖。雖然ARM并不授予授權(quán)方再次出售ARM架構(gòu)本身，但授權(quán)方可以任意地出售制品（如芯片組件、評估板、完整系統(tǒng)等）。商用晶圓廠是特殊例子，因為他們不僅授予能出售包含ARM內(nèi)核的硅晶成品，對其它客戶來講，他們通常也保留重制ARM內(nèi)核的權(quán)利。

就像大多數(shù)IP出售方，ARM依照使用價值來決定IP的售價。在架構(gòu)上而言，更低性能的ARM內(nèi)核比更高性能的內(nèi)核擁有較低的授權(quán)費。以硅芯片實現(xiàn)而言，一顆可集成的內(nèi)核要比一顆硬件宏（黑箱）內(nèi)核要來得貴。更復(fù)雜的價位問題來講，持有ARM授權(quán)的商用晶圓廠（例如韓國三星和日本富士通）可以提供更低的授權(quán)價格給他們的晶圓廠客戶。通過晶圓廠自有的設(shè)計技術(shù)，客戶可以更低或是免費的ARM預(yù)付授權(quán)費來獲取ARM內(nèi)核。相較于不具備自有設(shè)計技術(shù)的專門半導(dǎo)體晶圓廠（如臺積電和聯(lián)電），富士通／三星對每片晶圓多收取了兩至三倍的費用。對中少量的應(yīng)用而言，具備設(shè)計部門的晶圓廠提供較低的整體價格（通過授權(quán)費用的補助）。對于量產(chǎn)而言，由于長期的成本縮減可借由更低的晶圓價格，減少ARM的NRE成本，使得專門的晶圓廠也成了一個更好的選擇。

許多半導(dǎo)體公司持有ARM授權(quán)：Atmel、Broadcom、Cirrus Logic、Freescale（于2004從摩托羅拉公司獨立出來）、富士通、英特爾（借由和Digital的控訴調(diào)停）、IBM、NVIDIA、臺灣新唐科技（Nuvoton Technology）、英飛凌、任天堂、恩智浦半導(dǎo)體（于2006年從飛利浦獨立出來）、OKI電氣工業(yè)、三星電子、Sharp、STMicroelectronics、德州儀器和VLSI等許多這些公司均擁有各個不同形式的ARM授權(quán)。雖然ARM的授權(quán)項目由保密合約所涵蓋，在知識產(chǎn)權(quán)工業(yè)，ARM是廣為人知最昂貴的CPU內(nèi)核之一。單一的客戶產(chǎn)品包含一個基本的ARM內(nèi)核可能就需索取一次高達(dá)美金20萬的授權(quán)費用。而若是牽涉到大量架構(gòu)上修改，則費用就可能超過千萬美元。

ARM內(nèi)核的授權(quán)與應(yīng)用

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