前言

ARM名聲很大，最近在學(xué)習(xí)STM32，也借機(jī)梳理一下關(guān)于ARM的各種概念和信息。

本文主要內(nèi)容：ARM一詞的含義，ARM的發(fā)展歷史，ARM cortex系列處理器簡(jiǎn)介與ARM在不同市場(chǎng)的應(yīng)用情況。

一. ARM一詞的4種含義

1.1 ARM公司

ARM第一種意思是指ARM公司。

ARM公司成立于1990年，是一家英國(guó)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司，總部位于劍橋。ARM公司的全稱是Advanced RISC Machines Ltd，中文翻譯為安謀公司。ARM公司的主要業(yè)務(wù)是設(shè)計(jì)和授權(quán)處理器核心IP（Intellectual Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán)）。

1.2 ARM指令集架構(gòu)

ARM的第二種意思是指ARM指令集架構(gòu)。

ARM，Advanced RISC Machines，直譯為先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)處理器，其中RISC是Reduced Instruction Set Computer的縮寫(xiě)，意為精簡(jiǎn)指令集處理器架構(gòu)，ARM是RISC最突出的代表，其它比較有名的RISC指令集還有：MIPS，PowerPC，SPARC，RISC-V。

與RISC相對(duì)的是CISC，Complex Instruction Set Computing，復(fù)雜指令集處理器架構(gòu)，聞名世界的X86指令集就是一種CISC指令集。

其實(shí)指令集和架構(gòu)是兩種不同的概念。

指令集（Instruction Set）是計(jì)算機(jī)硬件與軟件之間的接口規(guī)范，是一種約定的機(jī)器語(yǔ)言，定義了計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的操作，包括運(yùn)算、存儲(chǔ)、傳輸?shù)取Ｖ噶罴怯?jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。

架構(gòu)（Architecture）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，包括計(jì)算機(jī)硬件的組成、互連方式、指令集、操作系統(tǒng)、編譯器等。計(jì)算機(jī)架構(gòu)決定了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能、可靠性、擴(kuò)展性和兼容性等方面。

從功能上來(lái)看，指令集定義了計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行的操作，而架構(gòu)則決定了計(jì)算機(jī)如何執(zhí)行這些操作。指令集規(guī)定了一系列指令的編碼格式和執(zhí)行方式，架構(gòu)則決定了計(jì)算機(jī)硬件的結(jié)構(gòu)和組成方式，包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備等。指令集是一種抽象的概念，而架構(gòu)則更加具體。

另外，指令集和架構(gòu)還有一些聯(lián)系。指令集是計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分，它會(huì)影響到架構(gòu)的性能、可編程性、復(fù)雜度等方面。指令集與架構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)可以提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和可靠性，并且可以降低計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本。此外，指令集和架構(gòu)也可以相互影響，當(dāng)計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)變化時(shí)，需要相應(yīng)地更新指令集；而當(dāng)新的指令集出現(xiàn)時(shí)，也會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)架構(gòu)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

對(duì)于ARM的指令集和架構(gòu)來(lái)說(shuō)，兩者是綁定在一起的，所以我們通常不分開(kāi)說(shuō)這兩者，而統(tǒng)一說(shuō)成ARM指令集架構(gòu)。

1.3 ARM內(nèi)核

ARM的第三種意思是指ARM內(nèi)核，或者說(shuō)ARM處理器。

內(nèi)核是相對(duì)于完整的芯片來(lái)說(shuō)的，ARM將核心處理器部分設(shè)計(jì)完成，然后授權(quán)給其它芯片設(shè)計(jì)廠商，其它廠家可根據(jù)授權(quán)方式進(jìn)行更改或直接使用，然后發(fā)布自己的芯片，這些芯片就是基于ARM內(nèi)核的。

ARM內(nèi)核有多種類型，比如，ARM6，ARM7，…，ARM11，cortex-M，cortex-R，cortex-A等。

1.4 ARM芯片

ARM的第四種意思是指ARM芯片。

上面說(shuō)到了ARM公司的商業(yè)模式是授權(quán)ARM指令集架構(gòu)或者ARM內(nèi)核IP，這些拿到授權(quán)的公司基于ARM架構(gòu)或內(nèi)核最終設(shè)計(jì)出的芯片，被稱為ARM芯片。

ARM芯片其實(shí)就是采用了ARM指令集架構(gòu)或者ARM內(nèi)核的芯片。

在微控制器領(lǐng)域，ARM芯片已成為市場(chǎng)的主流，市占比大概在70%，以下列出最有名的幾個(gè)：

1. STM32系列：STMicroelectronics即意法半導(dǎo)體公司的32位ARM Cortex-M系列微控制器，常用的有STM32F103，STM32F407等。
2. LPC系列：NXP Semiconductors即恩智浦的32位ARM Cortex-M系列微控制器，常用的有LPC1788，LPC1754等。
3. SAM系列：Microchip Technology公司的32位ARM Cortex-M系列微控制器。
4. Kinetis系列：NXP Semiconductors公司的32位ARM Cortex-M系列微控制器。
5. EFM32系列：Silicon Labs公司的32位ARM Cortex-M系列微控制器。

在手機(jī)和電腦處理器領(lǐng)域，ARM芯片也在逐年增加，以下列出最有名的幾個(gè)：

1. Qualcomm Snapdragon系列芯片：高通驍龍系列芯片，由美國(guó)高通公司發(fā)布，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)和平板電腦等領(lǐng)域。
2. Apple A系列芯片：由美國(guó)蘋果公司發(fā)布，廣泛應(yīng)用于iPhone、iPad等產(chǎn)品中。
3. Samsung Exynos系列芯片：由韓國(guó)三星電子公司發(fā)布，廣泛應(yīng)用于三星手機(jī)等產(chǎn)品中。
4. MediaTek Helio系列芯片：由臺(tái)灣聯(lián)發(fā)科技公司發(fā)布，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)等領(lǐng)域。
5. HiSilicon Kirin系列芯片：華為麒麟系列芯片，由中國(guó)華為公司發(fā)布，廣泛應(yīng)用于華為手機(jī)等產(chǎn)品中。

二. ARM公司發(fā)展史

以下總結(jié)了ARM公司及其前身從建立到慢慢發(fā)展壯大的歷史。

• 1978年，ARM的前身CPU公司（Cambridge Processing Unit，劍橋處理器單元）在英國(guó)劍橋成立，主要業(yè)務(wù)為電腦制造。
• 1979年，CPU公司改名為Acorn Computer Ltd，艾康電腦公司，以下簡(jiǎn)稱Acorn。
• 1981年，Acorn推出了BBC Micro計(jì)算機(jī)，大獲成功，這是歐洲第一臺(tái)暢銷的個(gè)人計(jì)算機(jī)。
• 1983年，為解決市場(chǎng)上缺乏高性能、低成本芯片的問(wèn)題，Acorn開(kāi)始自己設(shè)計(jì)處理器芯片。
• 1985年，Acorn的首席工程師Sophie Wilson帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出采用精簡(jiǎn)指令集的新處理器，名為Acorn RISC Machine，又稱為ARM1，此芯片由Acorn設(shè)計(jì)，由英國(guó)的VLSI Technology公司制造。同一年，Inter推出了80386處理器，性能全面碾壓ARM1，這也使得后續(xù)ARM處理器的研發(fā)開(kāi)始朝著低成本，低功耗的路線，以避免與Inter的正面碰撞。
• 1986年，Acorn成立了Advanced RISC Machines Ltd.（ARM）子公司，該公司致力于開(kāi)發(fā)和推廣ARM架構(gòu)處理器。同年，Acorn 推出了ARM2處理器（Acorn設(shè)計(jì)，VLSI制造），并于次年應(yīng)用到Acorn推出個(gè)人電腦產(chǎn)品Acorn Archimedes中，此PC在英國(guó)市場(chǎng)大獲成功。
• 1989年，Acorn推出了ARM3處理器（Acorn設(shè)計(jì)，VLSI制造）并應(yīng)用到了Acorn Archimedes計(jì)算機(jī)的后續(xù)產(chǎn)品，如A3000、A3010、A3020和A4000，以及一些嵌入式系統(tǒng)和移動(dòng)設(shè)備中。
• 1990年，Acorn為了ARM更好地發(fā)展同時(shí)減少公司的財(cái)務(wù)壓力，Acorn將子公司ARM獨(dú)立出來(lái)，并接受了蘋果和VLSI的投資，ARM正式成為一家獨(dú)立的合資公司。同年，ARM決定改變他們的產(chǎn)品策略——他們不再生產(chǎn)芯片，轉(zhuǎn)而以授權(quán)IP的方式，將芯片設(shè)計(jì)方案賣給其他公司，收取一次性技術(shù)授權(quán)費(fèi)和版稅提成。這是一種全新的商業(yè)模式，極大地降低了ARM自身的研發(fā)成本和研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。
• 1991年，ARM授權(quán)了ARM2和ARM3內(nèi)核IP給英國(guó)的GEC Plessey半導(dǎo)體公司，用于開(kāi)發(fā)微控制器。
• 1992年，ARM發(fā)布了ARM6內(nèi)核，它是ARM2和ARM3的改進(jìn)版。不知為何ARM4和ARM5直接被跳過(guò)了，并沒(méi)有此代號(hào)的產(chǎn)品發(fā)布。
• 1993年，ARM將ARM6內(nèi)核授權(quán)給Cirrus Logic和德州儀器（Texas Instruments，TI）。同年，蘋果公司推出了一款新型掌上電腦產(chǎn)品——Newton，ARM公司開(kāi)發(fā)的ARM6芯片被用于該產(chǎn)品之中。
• 1997年，諾基亞6110手機(jī)發(fā)布，風(fēng)靡全球，其中就使用了基于ARM7TDMI內(nèi)核的處理器芯片。
• 1998年，業(yè)務(wù)飛速發(fā)展的ARM，同時(shí)在倫敦證交所和納斯達(dá)克上市。
• 2004年，ARM發(fā)布cortex-M3內(nèi)核，放棄了之前ARM6，ARM7這種命名方式，后續(xù)ARM將內(nèi)核分類為cortex-A，cortex-R，cortex-M，分別適用于高性能，高可靠性和微控制器場(chǎng)合。
• 2007年，第一款iPhone發(fā)布，搭建的是Samsung生產(chǎn)的S5L8900，此芯片是基于ARM11內(nèi)核設(shè)計(jì)的。此后蘋果公司不管是買的處理器還是自研處理器，不管是手機(jī)還是iPad均使用了ARM指令集架構(gòu)或者ARM內(nèi)核，ARM則借此徹底搭上了全球移動(dòng)應(yīng)用發(fā)展的順風(fēng)車。
• 2008年，谷歌推出了Android操作系統(tǒng)，它是一種基于Linux內(nèi)核的開(kāi)源移動(dòng)操作系統(tǒng)，也是基于ARM指令集架構(gòu)設(shè)計(jì)的。ARM進(jìn)一步鞏固了移動(dòng)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)地位。
• 2010年，蘋果公司向ARM董事會(huì)表示有意以85億美元的價(jià)格收購(gòu)ARM公司，但遭到ARM董事會(huì)的拒絕。
• 2011年，微軟宣布Windows 8操作系統(tǒng)將支持ARM架構(gòu)，這標(biāo)志著傳統(tǒng)的Wintel聯(lián)盟（Windows + Intel）開(kāi)始重視ARM架構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用。
• 2012年，微軟推出了運(yùn)行Windows RT操作系統(tǒng)的Surface RT平板電腦，它搭載了一款基于ARM架構(gòu)的NVIDIA Tegra 3處理器，雖然這款電腦并未獲得成功，但也預(yù)示著ARM架構(gòu)已經(jīng)開(kāi)始在PC市場(chǎng)上嶄露頭角。
• 2016年，曾經(jīng)投資阿里巴巴的孫正義和他的日本軟銀集團(tuán)，以243億英鎊（約309億美元）收購(gòu)了ARM集團(tuán)，ARM退市。軟銀集團(tuán)表示，收購(gòu)后將繼續(xù)支持ARM的獨(dú)立經(jīng)營(yíng)。截至收購(gòu)時(shí)，ARM已經(jīng)擁有近500家客戶和超過(guò)80億顆芯片的出貨量。
• 2020年，NVIDIA宣布出價(jià)400億美元從日本軟銀集團(tuán)手中收購(gòu)ARM，但此項(xiàng)收購(gòu)遭到監(jiān)管機(jī)構(gòu)和大型企業(yè)（例：高通、微軟、Google等）的一致反對(duì)。2022，收購(gòu)案正式宣告失敗。

本章參考

1. Arm (企業(yè)) - 維基百科，自由的百科全書(shū) (wikipedia.org)
2. 艾康電腦 - 維基百科，自由的百科全書(shū) (wikipedia.org)
3. ARM到底是一家什么樣的公司？_Acorn (sohu.com)
4. ARM架構(gòu)的崛起，智能手機(jī)SoC發(fā)展史_Acorn_公司_處理器 (sohu.com)
5. List of ARM processors - Wikipedia
6. ChatGPT的回答

三. ARM指令集架構(gòu)與ARM內(nèi)核發(fā)展史

ARM指令集架構(gòu)發(fā)展史：

• ARMv1：1985年發(fā)布，最早的ARM架構(gòu)。
• ARMv2：1986年發(fā)布，改進(jìn)了ARMv1，增加了32位地址總線和指令集擴(kuò)展（增加了一些指令）。
• ARMv3：1992年發(fā)布，支持虛擬內(nèi)存、增加了指令集擴(kuò)展，包括支持協(xié)處理器（coprocessor）。
• ARMv4：1994年發(fā)布，增加了Java虛擬機(jī)指令集擴(kuò)展（Jazelle）和Thumb指令集，提高了代碼密度。
• ARMv5：1997年發(fā)布，增加了支持嵌入式Java的指令集擴(kuò)展（Jazelle-RCT）、增加了支持浮點(diǎn)運(yùn)算的指令集擴(kuò)展（VFP）。
• ARMv6：2002年發(fā)布，增加了Thumb-2指令集，提高了代碼密度和執(zhí)行效率，同時(shí)也增加了一些指令集擴(kuò)展，包括支持Jazelle-DBX。
• ARMv7：2004年發(fā)布，增加了基于TrustZone的安全擴(kuò)展、NEON指令集擴(kuò)展，支持向量浮點(diǎn)運(yùn)算（VFPv3）等。
• ARMv8：2011年發(fā)布，增加了AArch64架構(gòu)，支持64位處理器，同時(shí)保留了AArch32架構(gòu)，提高了性能和能耗效率。
• ARMv9：2021年發(fā)布，增加了Confidential Compute Architecture（CCA）和Realms技術(shù)，提高了安全性和隔離性。

ARM內(nèi)核的發(fā)展史：

ARM內(nèi)核非常多，這里直接使用維基百科中的ARM內(nèi)核發(fā)布時(shí)間線匯總表。

關(guān)于ARM處理器與內(nèi)核的對(duì)應(yīng)關(guān)系，每個(gè)內(nèi)核的性能特點(diǎn)，以及一些有名的其它公司基于ARM架構(gòu)設(shè)計(jì)的芯片，本章參考的維基百科中均有詳細(xì)的介紹。因篇幅限制，此處僅截圖展示。

考慮到，維基百科訪問(wèn)不易，文末會(huì)將網(wǎng)頁(yè)整理為PDF文件進(jìn)行分享。

本章參考

1. ARM架構(gòu) - 維基百科，自由的百科全書(shū) (wikipedia.org)
2. List of ARM processors - Wikipedia

四. ARM cortex處理器簡(jiǎn)介

為更好地適應(yīng)不同市場(chǎng)的差異化需求，2004年以后，ARM公司放棄了之前ARM+數(shù)字的命名方式（如ARM7，ARM8等），轉(zhuǎn)而用cortex來(lái)命令處理器產(chǎn)品，并分為三大產(chǎn)品線，分別是Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M。

近兩年推出的cortex-X并不是單獨(dú)的產(chǎn)品線，它可看做cortex-A的升級(jí)版，兩者的市場(chǎng)定位是一樣的。

Cortex-A系列處理器是針對(duì)高端應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，通常應(yīng)用于智能手機(jī)、平板電腦、數(shù)字電視和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。這些處理器擁有高性能、大規(guī)模的內(nèi)存管理單元以及大量的內(nèi)部緩存，支持多核處理和虛擬化技術(shù)。目前最新的Cortex-A系列處理器是Cortex-X3和Cortex-A715。

Cortex-R系列處理器是針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，通常應(yīng)用于汽車、工業(yè)控制和醫(yī)療設(shè)備等。這些處理器擁有極低的延遲、高精度的計(jì)時(shí)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器保護(hù)機(jī)制，能夠在實(shí)時(shí)響應(yīng)和高可靠性方面表現(xiàn)出色。目前最新的Cortex-R系列處理器是Cortex-R82。

Cortex-M系列處理器是針對(duì)低功耗、低成本、嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，通常應(yīng)用于傳感器、智能家居、工業(yè)控制和醫(yī)療設(shè)備等。這些處理器擁有低功耗、小尺寸和低成本等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也支持實(shí)時(shí)性、安全性和可靠性等特性。目前最新的Cortex-M系列處理器是Cortex-M85和Cortex-M55。

五. ARM在不同市場(chǎng)的應(yīng)用情況

在過(guò)去的幾十年時(shí)間里，ARM公司慢慢從一個(gè)十幾人的小公司成長(zhǎng)為一個(gè)全球聞名的芯片巨頭。從最初的ARM1處理器到現(xiàn)在的三大cortex產(chǎn)品系列，ARM公司不斷推出性能更強(qiáng)、功耗更低、功能更豐富的處理器產(chǎn)品，在多個(gè)不同領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用：

1. 嵌入式市場(chǎng)：ARM架構(gòu)的處理器在嵌入式市場(chǎng)中應(yīng)用廣泛，其中包括智能穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)、工控設(shè)備、汽車電子等領(lǐng)域，根據(jù)ARM官方數(shù)據(jù)，全球90%以上的嵌入式處理器采用ARM架構(gòu)，市場(chǎng)占有率超過(guò)90%。
2. 移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)：ARM架構(gòu)的處理器在移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，幾乎所有的智能手機(jī)和平板電腦都采用了基于ARM架構(gòu)的處理器。市場(chǎng)占有率超過(guò)90%。
3. 服務(wù)器市場(chǎng)：ARM架構(gòu)的處理器在服務(wù)器市場(chǎng)中也有應(yīng)用，特別是在低功耗服務(wù)器領(lǐng)域。目前X86架構(gòu)處理器在服務(wù)器領(lǐng)域仍然占據(jù)著絕對(duì)的市場(chǎng)份額，但隨著ARM處理器的性能不斷提升和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷擴(kuò)大，ARM在服務(wù)器市場(chǎng)中的份額有望進(jìn)一步增長(zhǎng)。
4. 智能家居市場(chǎng)：ARM架構(gòu)的處理器在智能家居市場(chǎng)中應(yīng)用廣泛，包括家庭自動(dòng)化、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。市場(chǎng)占有率超過(guò)50%。

六. 分享

1. ARM企業(yè)（維基百科）——PDF
2. ARM架構(gòu)與處理器（List of ARM processors）（維基百科）——PDF

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