• 什么是ARM？

ARM（Advanced RISC Machine），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

ARM的设计是全球大多数移动设备处理器的基础。各大手机芯片：包括高通骁龙、Apple A系列、华为麒麟芯片、三星Exynos，等它们的底层均是ARM的技术。

1991 年ARM 公司成立于英国剑桥，在成立后的那几年，ARM业绩平平，工程师们也人心惶惶，害怕随时都会失业。在这个情况下，ARM决定改变他们的产品策略 —— 他们不再生产芯片，转而以授权的方式，将芯片设计方案转让给其他公司，即“Partnership”开放模式。

ARM所采取的是IP(Intellectual Property，知识产权)授权的商业模式，收取一次性技术授权费用和版税提成。具体来说，ARM有三种授权方式：处理器、POP以及架构授权。

• 处理器授权：是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器，对方不能改变原有设计，但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。
• POP(processor optimization pack，处理器优化包)授权：是处理器授权的高级形式， ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商，方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。
• 架构授权：是ARM会授权合作厂商使用自己的架构，方便其根据自己的需要来设计处理器(例如后来高通的Krait架构和苹果的Swift架构，就是在取得ARM的授权后设计完成的)。所以，授权费和版税就成了ARM的主要收入来源。除此之外，就是软件工具和技术支持服务的收入。

• ARM 微处理器的应用领域及特点

应用领域

• 工业控制领域：作为32 的RISC 架构，基于ARM 核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑战。
• 无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM 技术， ARM 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。
• 网络设备：随着宽带技术的推广，采用ARM 技术的ADSL 芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持，也对DSP 的应用领域提出了挑战。
• 消费类电子产品：ARM 技术在目前流行的数字音频*放播**器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。
• 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM 技术。手机中的32位SIM 智能卡也采用了ARM 技术。

ARM处理器的特点：

• 体积小、低功耗、低成本、高性能。
• 支持Thumb(16 位)/ARM(32 位)双指令集，能很好地兼容8 位/16 位器件。
• 大量使用寄存器，指令执行速度更快。
• 大多数数据操作都在寄存器中完成
• 寻址方式灵活简单，执行效率高。
• 指令长度固定。

• 冯·诺依曼体系结构和哈弗体系结构

冯.诺依曼体系(普林斯体系)结构

冯·诺依曼体系的特点：

• 数据与指令都存储在同一存储区中，取指令与取数据利用同一数据总线。
• 被早期大多数计算机所采用。

ARM7也是采用冯.诺依曼体系结构简单, 但速度较慢。取指不能同时取数据。

哈弗体系结构

结构特点：

• 程序存储器与数据存储器分开。
• 提供了较大的存储器带宽，各自有自己的总线。
• 适合于数字信号处理。
• 大多数DSP都是哈佛结构。

ARM9是哈佛结构，取指和取数在同一周期进行，提高速度，改进哈佛体系结构分成三个存储区：程序、数据、程序和数据共用。

• 复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)

复杂指令集(CISC)

特点：

• 具有大量的指令和寻址方式。
• 8/2原则：80%的程序员只使用20%的指令。
• 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
• CISC CPU 包含有丰富的单元电路，因而功能强、面积大、功耗大。

典型代表：x86系列

精简指令集(RISC)

特点：

• 在通道中只包含最有用的指令,只提供简单的操作。
• 确保数据通道快速执行每一条指令。
• Load-store结构—— 处理器只处理寄存器中的数据，load-store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。
• 使CPU硬件结构设计变得更为简单， RISC CPU包含较少的单元电路，因而面积小、功耗低。

典型代表：ARM系列

RISC和CISC主要区别

• 寄存器方面：RISC指令集拥有更多的通用寄存器，每个可以存放数据和地址，寄存器为所有的数据操作提供快速的存储访问；CISC指令集多用于特定目的的专用寄存器。
• LOAD –STORE结构方面：RISC结构CPU 仅处理寄存器中的数据，采用独立的、专用的LOAD –STORE 指令来完成数据在寄存器和外存之间的传送。(访存费时，处理和存储分开，可以反复地使用保存在寄存器中的数据，而避免多次访问外存)；CISC结构能直接处理存储器中的数据。

• ARM体系架构版本

ARM体系架构的版本就是它所使用的指令集的版本。ARM架构支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，后者使得代码的存储空间大大减小。还提供了一些扩展功能，比如Java加速器（Jazelle），用以提供安全性能的TrustZone技术，智能能源管理（IEM，Intelligent Energy Manager），SIMD和NEONTM等技术。还在使用ARM指令集（ISA，Instruction Set Architecture）有以下版本。

• ARMv4

这是当今市场上最老的版本，ARMv4只支持32位的指令集，支持32位的地址空间。一些ARM7系列的处理器和Intel公司的StrongARM处理器采用ARMv4指令集。

• ARMv4t

增加了16位的Thumb指令集，它可以产生更加紧凑的代码，与相同功能的ARM代码相比，可以节省超过35%的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。

• ARMv5TE

在1999年，ARMv5TE版本改进了Thumb指令集，增加了一些“增强型DSP指令”，简称E指令集。这些指令用于增强处理器对一些典型的DSP算法的处理性能，使得音频DSP应用可以提升70%的性能。许多系统在使用微控制器来进行各类控制的同时，还需要具备数据处理能力，传统的做法要么是使用更高级的处理器（这使得成本增加），要么是使用多个处理器（这使得系统复杂度增加）。通过E指令集可以在一个普通CPU中增加DSP的功能，这在成本，性能，简化设计等方面都有优势。

• ARMv5TEJ

在2000年，ARMv5TEJ版本中增加了Jazelle技术用于提供Java加速功能。相比于仅用软件实现的Java虚拟机，Jazelle技术使得Java代码的运行速度提高8倍，而功耗降低80%。Jazelle技术使得可以在一个单核处理器上运行Java程序，已经建立好的操作系统和应用程序。

• ARMv6

在2001年，ARMv6问世。它在很多方面都有改进：存储系统，异常处理，最重要的是增加多媒体功能的支持。ARMv6中包含了一些媒体指令以支持SIMD媒体功能扩展。SIMD媒体功能扩展为音频/视频的处理提供了优化功能，可以使音频/视频的处理性能提高4倍。ARMv6中还引入了Thumb-2和TrustZone技术，这是两个可选的基数。之前的版本中，ARM指令和Thumb指令分别运行于不同的处理器状态，执行不同的指令集之前要进行切换。Thumb-2技术增加了混合模式的功能，定义了一个新的32位指令集，可以运行32位指令与传统16位指令的混合代码。这能够提供“ARM指令级别的性能”与“Thumb指令级别的代码密度“。TrustZone计数在硬件上提供了两个隔离的地址空间：安全域（secure world）和非安全域（no-secure world），给系统提供了一个安全机制。

• ARMv7

ARMv7架构使用Thumb-2技术，还使用了NEON技术，将DSP和媒体处理能力提供了近4倍，并支持改良的浮点计算，满足3D图形，游戏物理应用以及传统嵌入式控制应用的需求。

• ARMv8

2011年11月，ARM公司发布了新一代处理器架构ARMv8的部分技术细节。这是ARM公司的首款支持64位指令集的处理器架构。由于ARM处理器的授权内核被广泛用于手机等诸多电子产品，故ARMv8架构作为下一代处理器的核心技术而受到普遍关注。ARM将在2012年间推出基于ARMv8架构的处理器内核并开始授权，而面向消费者和企业的样机于2013年由苹果的A7处理器上首次运用。

ARMv8是在32位ARM架构上进行开发的，将被首先用于对扩展虚拟地址和64位数据处理技术有更高要求的产品领域，如企业应用、高档消费电子产品。

ARMv8架构包含两个执行状态：AArch64和AArch32。AArch64执行状态针对64位处理技术，引入了一个全新指令集A64；而AArch32执行状态将支持现有的ARM指令集。ARMv7架构的主要特性都将在ARMv8架构中得以保留或进一步拓展，如：TrustZone技术、虚拟化技术及NEON advanced SIMD技术，等。配合ARMv8架构的推出，ARM正在努力确保一个强大的设计生态系统来支持64位指令集。ARM的主要合作伙伴已经能够获得支持ARMv8架构的ARM编译器和快速模型（Fast Model）。在新架构的支持下，对一系列开源操作系统、应用程序和第三方工具的初始开发已经在开展中。通过合作，ARM合作伙伴们共同加速64位生态系统的开发，在许多情况下，这可视为是对现有支持基于ARMv7架构产品的广泛生态系统的自然延伸。

具备64位计算能力的ARMv8架构，将使其合作伙伴有望进入高端服务器市场。

在相同指令集下，搭配不同部件就可以组装出具有不同功能的处理器，比如有无内存管理单元，有无调试功能等。它们可以分为8个系列，系列名中有7个后缀，这些后缀可以组合，含义如下：

• T：表示支持Thumb指令集

• D：表示支持片上调试（Debug）

• M：表示内嵌硬件乘法器（Multiplier）

• I：支持片上断点和调试点

• E：表示支持增强型DSP功能

• J：表示支持Jazelle技术，即Java加速器

• S：表示全合成式（full synthesizable）

这8个系列中，ARM7，ARM9，ARM9E和ARM10为通用处理器系列，每一个系统提供一套相对独立的性能来满足不同应用领域的需求，SecureCore系列专门为安全要求较高的应用设计。详细的信息可以参考ARM公司网站: http://www.arm.com

• ARM7：ARM7系列处理器是低功耗的32位RISC微处理器，它主要用于对成本，功耗特别敏感的产品。最高可以达到130MIPS，支持16位指令集和32位指令集。ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI，ARM7TDMI-S，ARM720T，ARM7EJ-S。其中，ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属于低端ARM处理器核。ARM7系列的处理器没有内存管理单元（MMU）。

• ARM9：与ARM7想比，ARM9的最大区别在于：有MMU和Cache。它的指令执行效率较ARM7有较大提高，最高可达到300MIPS。ARM9系列微处理器有：ARM920T和ARM922T两种类型。

• ARM9E：微处理器在单一的处理器内核上提供了微控制器，DSP，Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微控制器提供了增强的DSP处理能力，适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。ARM9E系列的微处理器有：ARM926EJ-S，ARM946E-S，ARM966E-S，ARM968E-S和ARM996HS共5种类型。

• ARM11：ARM11系列处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器，它是ARM新指令架构 -- ARMv6的第一代设计实现。ARM11的媒体处理能力和低功耗特点特别适用于无线和消费类电子产品，其高数据吞吐量和高性能的结合非常适合网络处理应用。另外，在实时性能和浮点处理等方面ARM11可以满足汽车电子应用的需求。基于ARMv6体系结构的ARM11系列处理器将在上述领域发挥巨大的作用。ARM11系列微处理器有4种类型：ARM11MPCore，ARM1136J(F)-S，ARM1156T2(F)-S和ARM1176Z(F)-S。

• Cortex：Cortex系列处理器是基于ARMv7架构的，分为Cortex-A，Cortex-R和Cortex-M共3类 。Cortex-A为传统的，基于虚拟存储的操作系统和应用程序而设计，支持ARM，Thumb和Thumb-2指令集；Cortex-R针对实时系统设计，支持ARM，Thumb和Thumb-2指令集；Cortex-M为对价格敏感的产品设计，只支持Thumb-2指令集。

• SecureCore：SecureCore系列微处理器专为安全需要而设计，通过了完善的32位RISC技术的安全解决方案。因此，SecureCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗，高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。SecureCore系列微处理器有如下类型：SecureCoreSC100，SecureCoreSC200。

• ARM CPU内部结构