前言

ARM名声很大，最近在学习STM32，也借机梳理一下关于ARM的各种概念和信息。

本文主要内容：ARM一词的含义，ARM的发展历史，ARM cortex系列处理器简介与ARM在不同市场的应用情况。

一. ARM一词的4种含义

1.1 ARM公司

ARM第一种意思是指ARM公司。

ARM公司成立于1990年，是一家英国半导体设计公司，总部位于剑桥。ARM公司的全称是Advanced RISC Machines Ltd，中文翻译为安谋公司。ARM公司的主要业务是设计和授权处理器核心IP（Intellectual Property，知识产权）。

1.2 ARM指令集架构

ARM的第二种意思是指ARM指令集架构。

ARM，Advanced RISC Machines，直译为先进的精简指令集架构处理器，其中RISC是Reduced Instruction Set Computer的缩写，意为精简指令集处理器架构，ARM是RISC最突出的代表，其它比较有名的RISC指令集还有：MIPS，PowerPC，SPARC，RISC-V。

与RISC相对的是CISC，Complex Instruction Set Computing，复杂指令集处理器架构，闻名世界的X86指令集就是一种CISC指令集。

其实指令集和架构是两种不同的概念。

指令集（Instruction Set）是计算机硬件与软件之间的接口规范，是一种约定的机器语言，定义了计算机可以执行的操作，包括运算、存储、传输等。指令集是计算机硬件设计的基础，也是软件开发的基础。

架构（Architecture）是计算机系统的总体设计，包括计算机硬件的组成、互连方式、指令集、操作系统、编译器等。计算机架构决定了计算机系统的性能、可靠性、扩展性和兼容性等方面。

从功能上来看，指令集定义了计算机可以执行的操作，而架构则决定了计算机如何执行这些操作。指令集规定了一系列指令的编码格式和执行方式，架构则决定了计算机硬件的结构和组成方式，包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备等。指令集是一种抽象的概念，而架构则更加具体。

另外，指令集和架构还有一些联系。指令集是计算机架构设计的重要组成部分，它会影响到架构的性能、可编程性、复杂度等方面。指令集与架构的协同设计可以提高计算机系统的性能和可靠性，并且可以降低计算机系统的设计成本。此外，指令集和架构也可以相互影响，当计算机架构设计变化时，需要相应地更新指令集；而当新的指令集出现时，也会对计算机架构设计产生影响。

对于ARM的指令集和架构来说，两者是绑定在一起的，所以我们通常不分开说这两者，而统一说成ARM指令集架构。

1.3 ARM内核

ARM的第三种意思是指ARM内核，或者说ARM处理器。

内核是相对于完整的芯片来说的，ARM将核心处理器部分设计完成，然后授权给其它芯片设计厂商，其它厂家可根据授权方式进行更改或直接使用，然后发布自己的芯片，这些芯片就是基于ARM内核的。

ARM内核有多种类型，比如，ARM6，ARM7，…，ARM11，cortex-M，cortex-R，cortex-A等。

1.4 ARM芯片

ARM的第四种意思是指ARM芯片。

上面说到了ARM公司的商业模式是授权ARM指令集架构或者ARM内核IP，这些拿到授权的公司基于ARM架构或内核最终设计出的芯片，被称为ARM芯片。

ARM芯片其实就是采用了ARM指令集架构或者ARM内核的芯片。

在微控制器领域，ARM芯片已成为市场的主流，市占比大概在70%，以下列出最有名的几个：

  1. STM32系列：STMicroelectronics即意法半导体公司的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。

在手机和电脑处理器领域，ARM芯片也在逐年增加，以下列出最有名的几个：

  1. Qualcomm Snapdragon系列芯片：高通骁龙系列芯片，由美国高通公司发布，广泛应用于智能手机和平板电脑等领域。
  2. Apple A系列芯片：由美国苹果公司发布，广泛应用于iPhone、iPad等产品中。
  3. Samsung Exynos系列芯片：由韩国三星电子公司发布，广泛应用于三星手机等产品中。
  4. MediaTek Helio系列芯片：由台湾联发科技公司发布，广泛应用于智能手机等领域。
  5. HiSilicon Kirin系列芯片：华为麒麟系列芯片，由中国华为公司发布，广泛应用于华为手机等产品中。

二. ARM公司发展史

以下总结了ARM公司及其前身从建立到慢慢发展壮大的历史。

  • 1978年，ARM的前身CPU公司（Cambridge Processing Unit，剑桥处理器单元）在英国剑桥成立，主要业务为电脑制造。
  • 1979年，CPU公司改名为Acorn Computer Ltd，艾康电脑公司，以下简称Acorn。
  • 1981年，Acorn推出了BBC Micro计算机，大获成功，这是欧洲第一台畅销的个人计算机。
  • 1983年，为解决市场上缺乏高性能、低成本芯片的问题，Acorn开始自己设计处理器芯片。
  • 1985年，Acorn的首席工程师Sophie Wilson带领团队研发出采用精简指令集的新处理器，名为Acorn RISC Machine，又称为ARM1，此芯片由Acorn设计，由英国的VLSI Technology公司制造。同一年，Inter推出了80386处理器，性能全面碾压ARM1，这也使得后续ARM处理器的研发开始朝着低成本，低功耗的路线，以避免与Inter的正面碰撞。
  • 1986年，Acorn成立了Advanced RISC Machines Ltd.（ARM）子公司，该公司致力于开发和推广ARM架构处理器。同年，Acorn 推出了ARM2处理器（Acorn设计，VLSI制造），并于次年应用到Acorn推出个人电脑产品Acorn Archimedes中，此PC在英国市场大获成功。
  • 1989年，Acorn推出了ARM3处理器（Acorn设计，VLSI制造）并应用到了Acorn Archimedes计算机的后续产品，如A3000、A3010、A3020和A4000，以及一些嵌入式系统和移动设备中。
  • 1990年，Acorn为了ARM更好地发展同时减少公司的财务压力，Acorn将子公司ARM独立出来，并接受了苹果和VLSI的投资，ARM正式成为一家独立的合资公司。同年，ARM决定改变他们的产品策略——他们不再生产芯片，转而以授权IP的方式，将芯片设计方案卖给其他公司，收取一次性技术授权费和版税提成。这是一种全新的商业模式，极大地降低了ARM自身的研发成本和研发风险。
  • 1991年，ARM授权了ARM2和ARM3内核IP给英国的GEC Plessey半导体公司，用于开发微控制器。
  • 1992年，ARM发布了ARM6内核，它是ARM2和ARM3的改进版。不知为何ARM4和ARM5直接被跳过了，并没有此代号的产品发布。
  • 1993年，ARM将ARM6内核授权给Cirrus Logic和德州仪器（Texas Instruments，TI）。同年，苹果公司推出了一款新型掌上电脑产品——Newton，ARM公司开发的ARM6芯片被用于该产品之中。
  • 1997年，诺基亚6110手机发布，风靡全球，其中就使用了基于ARM7TDMI内核的处理器芯片。
  • 1998年，业务飞速发展的ARM，同时在伦敦证交所和纳斯达克上市。
  • 2004年，ARM发布cortex-M3内核，放弃了之前ARM6，ARM7这种命名方式，后续ARM将内核分类为cortex-A，cortex-R，cortex-M，分别适用于高性能，高可靠性和微控制器场合。
  • 2007年，第一款iPhone发布，搭建的是Samsung生产的S5L8900，此芯片是基于ARM11内核设计的。此后苹果公司不管是买的处理器还是自研处理器，不管是手机还是iPad均使用了ARM指令集架构或者ARM内核，ARM则借此彻底搭上了全球移动应用发展的顺风车。
  • 2008年，谷歌推出了Android操作系统，它是一种基于Linux内核的开源移动操作系统，也是基于ARM指令集架构设计的。ARM进一步巩固了移动市场的领导地位。
  • 2010年，苹果公司向ARM董事会表示有意以85亿美元的价格收购ARM公司，但遭到ARM董事会的拒绝。
  • 2011年，微软宣布Windows 8操作系统将支持ARM架构，这标志着传统的Wintel联盟（Windows + Intel）开始重视ARM架构的发展和应用。
  • 2012年，微软推出了运行Windows RT操作系统的Surface RT平板电脑，它搭载了一款基于ARM架构的NVIDIA Tegra 3处理器，虽然这款电脑并未获得成功，但也预示着ARM架构已经开始在PC市场上崭露头角。
  • 2016年，曾经投资阿里巴巴的孙正义和他的日本软银集团，以243亿英镑（约309亿美元）收购了ARM集团，ARM退市。软银集团表示，收购后将继续支持ARM的独立经营。截至收购时，ARM已经拥有近500家客户和超过80亿颗芯片的出货量。
  • 2020年，NVIDIA宣布出价400亿美元从日本软银集团手中收购ARM，但此项收购遭到监管机构和大型企业（例：高通、微软、Google等）的一致反对。2022，收购案正式宣告失败。

本章参考

  1. Arm (企业) – 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)
  2. 艾康电脑 – 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)
  3. ARM到底是一家什么样的公司？_Acorn (sohu.com)
  4. ARM架构的崛起，智能手机SoC发展史_Acorn_公司_处理器 (sohu.com)
  5. List of ARM processors – Wikipedia
  6. ChatGPT的回答

三. ARM指令集架构与ARM内核发展史

ARM指令集架构发展史：

  • ARMv1：1985年发布，最早的ARM架构。
  • ARMv2：1986年发布，改进了ARMv1，增加了32位地址总线和指令集扩展（增加了一些指令）。
  • ARMv3：1992年发布，支持虚拟内存、增加了指令集扩展，包括支持协处理器（coprocessor）。
  • ARMv4：1994年发布，增加了Java虚拟机指令集扩展（Jazelle）和Thumb指令集，提高了代码密度。
  • ARMv5：1997年发布，增加了支持嵌入式Java的指令集扩展（Jazelle-RCT）、增加了支持浮点运算的指令集扩展（VFP）。
  • ARMv6：2002年发布，增加了Thumb-2指令集，提高了代码密度和执行效率，同时也增加了一些指令集扩展，包括支持Jazelle-DBX。
  • ARMv7：2004年发布，增加了基于TrustZone的安全扩展、NEON指令集扩展，支持向量浮点运算（VFPv3）等。
  • ARMv8：2011年发布，增加了AArch64架构，支持64位处理器，同时保留了AArch32架构，提高了性能和能耗效率。
  • ARMv9：2021年发布，增加了Confidential Compute Architecture（CCA）和Realms技术，提高了安全性和隔离性。

ARM内核的发展史：

ARM内核非常多，这里直接使用维基百科中的ARM内核发布时间线汇总表。

关于ARM处理器与内核的对应关系，每个内核的性能特点，以及一些有名的其它公司基于ARM架构设计的芯片，本章参考的维基百科中均有详细的介绍。因篇幅限制，此处仅截图展示。

考虑到，维基百科访问不易，文末会将网页整理为PDF文件进行分享。

本章参考

  1. ARM架构 – 维基百科，自由的百科全书 (wikipedia.org)
  2. List of ARM processors – Wikipedia

四. ARM cortex处理器简介

为更好地适应不同市场的差异化需求，2004年以后，ARM公司放弃了之前ARM+数字的命名方式（如ARM7，ARM8等），转而用cortex来命令处理器产品，并分为三大产品线，分别是Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M。

近两年推出的cortex-X并不是单独的产品线，它可看做cortex-A的升级版，两者的市场定位是一样的。

Cortex-A系列处理器是针对高端应用而设计的，通常应用于智能手机、平板电脑、数字电视和网络设备等。这些处理器拥有高性能、大规模的内存管理单元以及大量的内部缓存，支持多核处理和虚拟化技术。目前最新的Cortex-A系列处理器是Cortex-X3和Cortex-A715。

Cortex-R系列处理器是针对实时应用而设计的，通常应用于汽车、工业控制和医疗设备等。这些处理器拥有极低的延迟、高精度的计时器和内部存储器保护机制，能够在实时响应和高可靠性方面表现出色。目前最新的Cortex-R系列处理器是Cortex-R82。

Cortex-M系列处理器是针对低功耗、低成本、嵌入式应用而设计的，通常应用于传感器、智能家居、工业控制和医疗设备等。这些处理器拥有低功耗、小尺寸和低成本等优点，同时也支持实时性、安全性和可靠性等特性。目前最新的Cortex-M系列处理器是Cortex-M85和Cortex-M55。

五. ARM在不同市场的应用情况

在过去的几十年时间里，ARM公司慢慢从一个十几人的小公司成长为一个全球闻名的芯片巨头。从最初的ARM1处理器到现在的三大cortex产品系列，ARM公司不断推出性能更强、功耗更低、功能更丰富的处理器产品，在多个不同领域都有着广泛应用：

  1. 嵌入式市场：ARM架构的处理器在嵌入式市场中应用广泛，其中包括智能穿戴设备、物联网、工控设备、汽车电子等领域，根据ARM官方数据，全球90%以上的嵌入式处理器采用ARM架构，市场占有率超过90%。
  2. 移动设备市场：ARM架构的处理器在移动设备市场中占据绝对优势，几乎所有的智能手机和平板电脑都采用了基于ARM架构的处理器。市场占有率超过90%。
  3. 服务器市场：ARM架构的处理器在服务器市场中也有应用，特别是在低功耗服务器领域。目前X86架构处理器在服务器领域仍然占据着绝对的市场份额，但随着ARM处理器的性能不断提升和应用场景的不断扩大，ARM在服务器市场中的份额有望进一步增长。
  4. 智能家居市场：ARM架构的处理器在智能家居市场中应用广泛，包括家庭自动化、安防监控等领域。市场占有率超过50%。

六. 分享

  1. ARM企业（维基百科）——PDF
  2. ARM架构与处理器（List of ARM processors）（维基百科）——PDF

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