ARM處理器的發(fā)展歷程

ARM公司既不生產(chǎn)芯片也不銷售芯片，它只出售芯片技術(shù)授權(quán)。卻做到了在手持設(shè)備市場(chǎng)上占有90%以上的份額。幾個(gè)月前，軟銀耗資300多億美元拿下ARM，使得本來就大紅大紫的ARM公司，再一次竄到了業(yè)界人士的面前。ARM這家不生產(chǎn)芯片卻也能數(shù)錢數(shù)到手抽筋的公司到底有著怎樣的發(fā)展史。今天小編，就帶大伙一探究竟，其中包括ARM處理器的詳細(xì)介紹。

1978年12月5日，物理學(xué)家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師Chris Curry，在英國(guó)劍橋創(chuàng)辦了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要業(yè)務(wù)是為當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)供應(yīng)電子設(shè)備。1979年，CPU公司改名為Acorn計(jì)算機(jī)公司。

起初，Acorn公司打算使用摩托羅拉公司的16位芯片，但是發(fā)現(xiàn)這種芯片太慢也太貴?！耙慌_(tái)售價(jià)500英鎊的機(jī)器，不可能使用價(jià)格100英鎊的CPU！”他們轉(zhuǎn)而向Intel公司索要80286芯片的設(shè)計(jì)資料，但是遭到拒絕，于是被迫自行研發(fā)。無情的英特爾估計(jì)現(xiàn)在腸子都悔青了。

1985年，Roger Wilson和Steve Furber設(shè)計(jì)了他們自己的第一代32位、6MHz的處理器，用它做出了一臺(tái)RISC指令集的計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱ARM（Acorn RISC Machine）。這就是ARM這個(gè)名字的由來。

1990年11月27日，Acorn公司正式改組為ARM計(jì)算機(jī)公司。蘋果公司出資150萬英鎊，芯片廠商VLSI出資25萬英鎊，Acorn本身則以150萬英鎊的知識(shí)產(chǎn)權(quán)和12名工程師入股。公司的辦公地點(diǎn)非常簡(jiǎn)陋，就是一個(gè)谷倉。

公司成立后，業(yè)務(wù)一度很不景氣，工程師們?nèi)诵幕袒?，?dān)心將要失業(yè)。由于缺乏資金，ARM做出了一個(gè)意義深遠(yuǎn)的決定：自己不制造芯片，只將芯片的設(shè)計(jì)方案授權(quán)（licensing）給其他公司，由它們來生產(chǎn)。正是這個(gè)模式，最終使得ARM芯片遍地開花，將封閉設(shè)計(jì)的Intel公司置于“人民戰(zhàn)爭(zhēng)”的汪洋大海。

20世紀(jì)90年代，ARM公司的業(yè)績(jī)平平，處理器的出貨量徘徊不前。但是進(jìn)入21世紀(jì)之后，由于手機(jī)的快速發(fā)展，出貨量呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，ARM處理器占領(lǐng)了全球手機(jī)市場(chǎng)。

經(jīng)過12年的發(fā)展，在2002年，ARM架構(gòu)芯片的出貨量正式突破10億。隨著智能設(shè)備的爆炸式成長(zhǎng)，如今，要完成10億片的出貨量只需要一個(gè)月。

2004年，Cortex系列的誕生是ARM公司的大事件，從此該公司不再用數(shù)字為處理器命名。它分為A、R和M三類，旨在為各種不同的市場(chǎng)提供服務(wù)。

2006年，全球ARM芯片出貨量為20億片，2010年預(yù)計(jì)將達(dá)到45億片。

2015年，ARM基于ARMv8架構(gòu)推出了一種面向企業(yè)級(jí)市場(chǎng)的新平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)。此外，他們還開始在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)力。同年，福布斯雜志將ARM評(píng)為世界上五大最具創(chuàng)新力的公司之一。

如今ARM已經(jīng)被軟銀收購(gòu)，孫正義也瞬間變成2016超級(jí)“網(wǎng)紅”，還揚(yáng)言要制霸物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。果然，吸一口ARM“純氧”，瞬間精氣神都不一樣了。

ARM產(chǎn)品的分類方式有幾種，可以按照馮若依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)分類，也可以按照ARMv1、ARMv2、ARMv3、ARMv4等構(gòu)架來分類。然而從1983年開始，ARM內(nèi)核共有ARM1、ARM2、ARM6、ARM7、ARM9、ARM10、ARM11和Cortex以及對(duì)應(yīng)的修改版或增強(qiáng)版組成，越靠后的內(nèi)核，初始頻率越高、架構(gòu)越先進(jìn)，功能也越強(qiáng)。目前移動(dòng)智能終端中常見的為ARM11和Cortex內(nèi)核。下面也將從ARM處理器幾大主流分類進(jìn)行闡述。

嫌啰嗦，可以直接看下面這圖，然后跳過本章節(jié)。

-ARM7微處理器系列

1994年推出，使用范圍最廣的 32 位嵌入式處理器系列。 0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線和馮諾依曼結(jié)構(gòu)。ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、帶有高速緩存處理器宏單元的ARM720T。該系列處理器提供Thumb 16位壓縮指令集和EmbededICE軟件調(diào)試方式，適用于更大規(guī)模的SoC設(shè)計(jì)中。ARM7TDMI基于ARM體系結(jié)構(gòu)V4版本，是目前低端的ARM核。

-ARM9微處理器系列

ARM9采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)分屬不同的總線，可以并行處理。在流水線上，ARM7是三級(jí)流水線，ARM9是五級(jí)流水線。由于結(jié)構(gòu)不同，ARM7的執(zhí)行效率低于ARM9。基于Arm9內(nèi)核的處理器，是具有低功耗，高效率的開發(fā)平臺(tái)。廣泛用于各種嵌入式產(chǎn)品。它主要應(yīng)用于音頻技術(shù)以及高檔工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，可以跑Linux以及Wince等高級(jí)嵌入式系統(tǒng)，可以進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，做出人性化的人機(jī)互動(dòng)界面，像一些網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和手機(jī)產(chǎn)品。

-ARM9E微處理器系列

ARM9E中的E就是Enhance instrcTIons，意思是增強(qiáng)型DSP指令，說明了ARM9E其實(shí)就是ARM9就一個(gè)擴(kuò)充，變種。ARM9E系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。

-ARM10E微處理器系列

ARM10E系列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。ARM9E系列微處理器提供了增強(qiáng)的DSP處理能力，很適合于那些需要同時(shí)使用DSP和微控制器的應(yīng)用場(chǎng)合。ARM10E與ARM9E區(qū)別在于，ARM10E使用哈佛結(jié)構(gòu)，6級(jí)流水線，主頻最高可達(dá)325MHz，1.35MIPS/HZ。

-ARM11微處理器系列

ARM公司近年推出的新一代RISC處理器，它是ARM新指令架構(gòu)——ARMv6的第一代設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。該系列主要有ARM1136J，ARM1156T2和ARM1176JZ三個(gè)內(nèi)核型號(hào)，分別針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域。ARM11的媒體處理能力和低功耗特點(diǎn)，特別適用于無線和消費(fèi)類電子產(chǎn)品；其高數(shù)據(jù)吞吐量和高性能的結(jié)合非常適合網(wǎng)絡(luò)處理應(yīng)用；另外，也在實(shí)時(shí)性能和浮點(diǎn)處理等方面ARM11可以滿足汽車電子應(yīng)用的需求。

ARM公司在經(jīng)典處理器ARM11以后的產(chǎn)品改用Cortex命名，并分成A、R和M三類，旨在為各種不同的市場(chǎng)提供服務(wù)。Cortex系列屬于ARMv7架構(gòu)，由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，基于v7架構(gòu)的Cortex處理器系列所采用的技術(shù)也不相同，基于v7A的稱為Cortex-A系列，基于v7R的稱為Cortex-R系列，基于v7M的稱為Cortex-M系列。

ARM Cortex-A 系列應(yīng)用型處理器可向托管豐富OS平臺(tái)和用戶應(yīng)用程序的設(shè)備提供全方位的解決方案，從超低成本手機(jī)、智能手機(jī)、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)、數(shù)字電視和機(jī)頂盒到企業(yè)網(wǎng)絡(luò)、打印機(jī)和服務(wù)器解決方案。ARM在Cortex-A系列處理器大體上可以排序?yàn)椋篊ortex-A57處理器、Cortex-A53處理器、Cortex-A15處理器、Cortex-A9處理器、Cortex-A8處理器、Cortex-A7處理器、Cortex-A5處理器、ARM11處理器、ARM9處理器、ARM7處理器，再往低的部分手機(jī)產(chǎn)品中基本已經(jīng)不再使用。

ARM Cortex-R實(shí)時(shí)處理器為要求可靠性、高可用性、容錯(cuò)功能、可維護(hù)性和實(shí)時(shí)響應(yīng)的嵌入式系統(tǒng)提供高性能計(jì)算解決方案。Cortex-R 系列處理器通過已經(jīng)在數(shù)以億計(jì)的產(chǎn)品中得到驗(yàn)證的成熟技術(shù)提供極快的上市速度，并利用廣泛的 ARM 生態(tài)系統(tǒng)、全球和本地語言以及全天候的支持服務(wù)，保證快速、低風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品開發(fā)。

ARM Cortex-M處理器系列是一系列可向上兼容的高能效、易于使用的處理器，這些處理器旨在幫助開發(fā)人員滿足將來的嵌入式應(yīng)用的需要。這些需要包括以更低的成本提供更多功能、不斷增加連接、改善代碼重用和提高能效。Cortex-M 系列針對(duì)成本和功耗敏感的MCU和終端應(yīng)用（如智能測(cè)量、人機(jī)接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、消費(fèi)性產(chǎn)品和醫(yī)療器械）的混合信號(hào)設(shè)備進(jìn)行過優(yōu)化。

SecurCore系列處理器專門為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案，因此，SecurCore系列微處理器除了具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗，高性能的特點(diǎn)外，還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持。SecurCore 系列微處理器主要應(yīng)用于一些對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)，如電子商務(wù)，電子政務(wù)等。SecurCore系列微處理器包含：SecurCore SC100， SecurCore SC110， SecurCore SC200和SecurCore SC21。

Intel的Xscale系列

Intel的XScale源于ARM內(nèi)核，在這個(gè)架構(gòu)基礎(chǔ)上擴(kuò)展，它保留了對(duì)以往產(chǎn)品的向下兼容性。在指令集結(jié)構(gòu)上，XScale仍然屬于ARM的“V5TE”體系，與ARM9，10系列內(nèi)核相同，但它擁有與眾不同的7級(jí)流水線，除了無法直接支持Java解碼和V6 SIMD指令集外，各項(xiàng)性能參數(shù)與ARM11核心都比較接近。再結(jié)合Intel在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，XScale獲得了極大的性能提升，它的最高頻率可達(dá)到1GHz，并保持ARM體系貫有的低功耗特性。

Inter的StrongARM系列

在PDA領(lǐng)域，Intel的StrongARM和XScale處理器占據(jù)舉足輕重的地位，這兩者在架構(gòu)上都屬于ARM體系，相當(dāng)于ARM的一套實(shí)際應(yīng)用方案。StrongARM 系列處理器是現(xiàn)歸于英特爾旗下的ARM公司推出的一款旨在支持WinCE3.0-PocketPC系統(tǒng)的RISC（精簡(jiǎn)指令集）處理器。

正如開頭所說，ARM公司的高性能、低耗能的RISC微處理器目前占據(jù)了手機(jī)處理器90%的市場(chǎng)份額。然而一些預(yù)測(cè)機(jī)構(gòu)分析，智能手機(jī)市場(chǎng)開始趨于穩(wěn)定。相較于去年，只實(shí)現(xiàn)了個(gè)位數(shù)的增長(zhǎng)。ARM也不會(huì)單純的在消費(fèi)電子領(lǐng)域停滯不前。前不久軟銀收購(gòu)ARM，也被眾多分析師解讀，認(rèn)為這是吹響了進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)號(hào)角。

對(duì)ARM本身產(chǎn)品來說，ARM非常注重于提升芯片的能效。不僅如此，ARM的架構(gòu)是旗下所有32位處理器都可以支持強(qiáng)大的非對(duì)稱加密算法和協(xié)議，考慮到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要時(shí)常連接到網(wǎng)絡(luò)，隨著市場(chǎng)的逐漸發(fā)展，強(qiáng)大的加密和安全功能毫無疑問將會(huì)變得越來越重要。并且，ARM在兩年前的年度技術(shù)論壇上，推出了專門針對(duì)IoT領(lǐng)域的mbed物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺(tái)——mbed平臺(tái)。ARM希望割裂的IoT市場(chǎng)給整合起來，形成一個(gè)大統(tǒng)一環(huán)境。

在人工智能領(lǐng)域，ARM認(rèn)為，此技術(shù)陣營(yíng)眾多，現(xiàn)階段ARM選擇深耕后端控制技術(shù)，以支持各式各樣的人工智慧應(yīng)用。比如NVIDIA采用ARM處理器與自家的GPU實(shí)現(xiàn)人工智慧。在視覺系統(tǒng)部分，主要是由GPU搜集外界資訊進(jìn)行處理，但在此同時(shí)也會(huì)衍生出需要作業(yè)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)后端應(yīng)用需求的功能，而ARM處理器即是協(xié)助后端應(yīng)用的協(xié)調(diào)工作。換言之，前端是由GPU或FPGA來實(shí)作，而后端涉及到Linux作業(yè)系統(tǒng)的部分則由ARM處理器負(fù)責(zé)。

在汽車電子，ARM亦有不俗的表現(xiàn)，例如以汽車電子中的PND為例，ARM就占據(jù)了80％以上的市場(chǎng)。然而汽車的MCU產(chǎn)品中大部分是8位、16位。ARM的全球嵌入式總監(jiān)表示：“32位MCU的成本已經(jīng)降低了很多，有的甚至還低于16位的MCU，基于Cortex-M3的MCU提供了更強(qiáng)大的運(yùn)算能力和其他功能，如集成USB、DMA等，都是8位和16位MCU無法比擬的。”不僅如此ARM專門推出了針對(duì)FPGA的Cortex－M3軟核，NVIDIA前不久還發(fā)布了基于ARM架構(gòu)搭載的Parker系列，專為NVIDIA的 DRIVE PX 2智能汽車系統(tǒng)準(zhǔn)備。

如今物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、人工智能等新興領(lǐng)域的興起，給ARM創(chuàng)造了更多的機(jī)會(huì)。在智能手機(jī)已經(jīng)酒足飯飽且趨于平穩(wěn)的市場(chǎng)中，ARM也尋求著更多的突破。最近有報(bào)道，說三星準(zhǔn)備丟開ARM開發(fā)RISC-V架構(gòu)自主CPU內(nèi)核。莫非這消息透露出隨著時(shí)間推移，ARM生存空間被壓縮？不管怎么，我們還是更期待ARM在更多新興領(lǐng)域的表現(xiàn)。