ARM的那些事儿

       比起那些耳熟能详的半导体巨头公司，我相信对于大多数人来说，ARM公司就显得较为陌生了，但我相信你所使用的手机中必定有ARM的痕迹。自从进入21世纪，智能手机开始崛起，NoKia（诺基亚）退出手机市场，iPhone和Android（安卓）手机强势抢占市场。智能手机的浪潮成就了ARM公司，令其生存于众巨头半导体公司构成生态圈下的核心位置。当然ARM独特的生存方式和优秀的设计也成为了市场的巨大推动力，不得不说，当下移动互联网的发展迅速得益于ARM公司。那么ARM到底是怎么样的一家公司？希望本篇博文能或多或少给你一点启示。

       1978年12月5日，物理学家Hermann Hauser和工程师Chris Curry在英国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit，剑桥处理器），当时的主要业务是为当地市场供应一些电子设备。1979年更名为Acorn（橡果，音译为艾康），这时候Acorn还没有属于自己的CPU（Central Processing Unit，中央处理器）设计。由于嫌弃当时使用的 Motorola（摩托罗拉）的芯片性能不佳且价格昂贵，Acorn向当时的另外一家公司---Intel，即现在的PC机市场巨头讨要1982年其推出的80286芯片设计，但是遭到了拒绝。于是乎，Acorn开始设计自家的CPU。到了1985年，ARM设计出了第一代处理器，并用其开发了一台计算机，命名为Acorn RISC Machine，缩写就是ARM，这是ARM名字最早的由来。1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司。这时ARM的全称改为Advanced RISC Machine，就是我们今天知道的ARM公司了。
       这里有必要简单解释一下RISC，RISC的全称是Reduced Instruction Set Computer（精简指令集计算机），它支持的汇编指令比较简单，功耗小。与之相对的就是CISC, 即Complex Instruction Set Computer（复杂指令集计算机），它所支持的指令便较为复杂了，在PC机领域最具代表性的就是Intel和AMD。关于CISC和RISC的一些知识，我会写另外一篇博文《Intel和AMD的那些事儿》作些介绍。
       说回ARM，ARM公司在成立之初，它的业务并不景气。它没有能力像Intel一样从CPU的设计到芯片的生产和出售这样完整的生产链。于是ARM公司作了一个重大的决定：只做处理器的设计，而不自主生产芯片，通过IP（Intellectual Property，知识产权）授权方式把方案卖给其他公司。这一冒险的方式却令ARM公司获得了巨大的成功。到现在，使用ARM公司方案的公司有IBM（国际商业机器公司）、Apple（苹果）、Qualcomm（高通）、Samsung（三星）、TI（德州仪器）、ST（意法半导体）、Sony（索尼）、HP（惠普）等一些著名的公司，中国授权有华为海思、全志、台积电、联发科等。针对公司的具体情况，可以从ARM公司购买不同的授权方式，它的授权方式有很多，但最主要的授权方式可以根据用户的选择余地从低到高分为三种：处理器优化包/物理IP包授权(POP)、处理器授权、以及架构/指令集授权。

• 处理器优化包/物理IP包授权(POP)是三种授权方式中等级最低的，但适用于快速开发，用户可以直接使用ARM优化过的处理器方案，处理器类型、代工厂、工艺都是规定好的。用户可以快速地开发出产品，使用的代价也较低，当然供用户自己发挥的余地是几乎没有的。
• 拥有处理器授权的用户可以购买已经设计好的ARM处理器图纸，但用户只能照着图纸实现，能发挥的地方不多。用户能决定的是设计成什么规格的芯片。比如配置哪些模块、增加那些外设、使用几个核心、设计多少缓存、多高频率、使用什么工艺、谁来代工等等。
• 第三种授权方式就是架构/指令集授权了，这种授权方式等级是最高的，用户可以仅购买ARM的架构/指令集(ARMv7、ARMv8)，然后设计自己的SoC（System on a Chip，片上系统）。在全球拥有ARM这种授权方式的为数不多，我们较为熟知的有Apple、Qualcomm，中国华为海思在2013年获得这种授权方式，2016年上海华芯通也获得了ARM架构授权。

       于是，ARM公司在这样的生存方式下成为了半导体界的“地产开发商”，有实力的公司购买“地皮”，自行设计“建筑”；还有一些则购买“毛坯房”，自行“装修”。想要最快“入住”的则直接购买“精装房”。只不过ARM公司实际上并没有中国的地产开发商那么赚钱罢了。
       说完授权方式，重点来说下ARM公司有哪些设计产品：

       在此之前首先谈一下个人对架构和核心的概念理解。有些人也喜欢将核心等同于架构，个人喜欢分开来讲，这样比较容易搞清楚ARM7和ARMv7的区别。

• 架构：即指令集体系结构。ARM公司从成立到现在一共发布了8种指令集体系结构，即ARMv1~ARMv8架构。
• 核心：基于架构开发出的处理器核心，比如ARM7、ARM9、ARM11、Cortex-A9等等。

（下面部分有转载成分，详细见“参考资料”）

• 1985年，ARMv1架构诞生，该版架构只在原型机ARM1出现过，也就是上文提到的ARM首台自主研发的计算机，只有26位的寻址空间（64MB），没有用于商业产品，但是却具有里程碑意义。
• 1986年，ARMv2架构诞生，首颗量产的ARM处理器ARM2就是基于该架构，包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持，但同样仍为26位寻址空间。其后还出现了变种ARMv2a，ARM3即采用了ARMv2a，是第一片采用On-Chip Cache（片上高速缓存）的ARM处理器。
• 1990年，ARMv3架构诞生，第一个采用ARMv3架构的微处理器是ARM6以及ARM7，其拥有On-Chip Cache）、MMU（Memory Management Unit，存储器管理单元）和Write Cache（写缓冲），寻址空间从原来的26位增大到32位（4GB）。
• 1993年，ARMv4架构诞生，这个架构被广泛使用，ARM7TDMI、ARM8、ARM9TDMI和StrongARM采用了该架构。ARM在这个系列中引入了T变种指令集，即处理器可工作在Thumb状态，增加了16位Thumb指令集。
• 1998年，ARMv5架构诞生，ARM7EJ、ARM9E、ARM10E和Xscale采用了该架构，这版架构改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率。此外还引入了DSP指令和支持Java。
• 2001年，ARMv6架构诞生，ARM11采用的是该架构，这版架构强化了图形处理性能。此外ARM在这个系列中引入了混合16位/32位的Thumb-2指令集。
• 2004年，ARMv7架构诞生，从这个时候开始ARM以Cortex来重新命名处理器，Cortex-M3/4/7，Cortex-R4/5/6/7，Cortex-A8/9/5/7/15/17都是基于该架构。这三种系列面向的对象不同：“A（applicational ）”系列面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用；“R”（Real-time）系列针对实时系统；“M”(Micro-)系列针对微控制器。
• 2006年，ARM宣布收购Falanx。这是ARM进军GPU处理器的标志。
• 2007年，在ARMv6基础上衍生了ARMv6-M架构，该架构是专门为低成本、高性能设备而设计，向以前由8位设备占主导地位的市场提供32位功能强大的解决方案。Cortex-M0/1/0+采用了该架构。同时ARM首次以ARM品牌推出了Mali-200 GPU，然后是Mali-400 GPU，均基于Utgard架构。
• 2010年，ARM Mail推出Midgard架构，产品包括Mali-T604、Mali-T700、Mali-T800，最多可以做到16核心。
• 2011年，ARMv8架构诞生，这是ARM公司首款能支持64位指令集的处理器架构。
• 2016年，刚刚过去的一年里ARM公司也推出了一系列的处理器，同时推出了全新的GPU架构Bifrost 架构，并在此架构上推出了Mail-G71。与Mail-DP、Mail-V系列构成了Mali Multimedia Suite（Mali多媒体套件）。
• ……

       说完了这些，我想你可能对ARM公司有了一定的了解，我们再来说说市场上一些流行手机搭载的SoC，我想你就会明白ARM在其中扮演了一个怎么样的角色。首先是Apple，Apple是ARM架构授权的拥有者。它所推出的iPhone不使用ARM设计的核心。而是自行设计CPU，一年设计一款CPU。iPhone7系列手机于2016年刚刚推出，它搭载的A10 Fusion处理器便是基于ARMv8-A架构，还有之前的Apple A8 Typhoon，Apple A9 Twister也是基于ARMv8-A架构的。Apple自行设计出的这一款A10处理器可以谓之为现存最强SoC。然后是庞大的Android阵营，对应的SoC厂商就比较多了，首先是Qualcomm，它设计的SnapDragon（骁龙）系列SoC在Android市场上占据的份额着实不小，拿几款这几年比较热门的SnapDragon处理器来说：SnapDragon 800 Krait，基于ARMv7-A架构；SnapDragon 810，基于ARMv8-A架构，但不是SnapDragon自主设计核心，而是使用了Cortex-A57(大核心Cortex-A15的升级版)和Cortex-A53（小核心Cortex-A7的升级版）大小核心，即很有名的Big.Little模式；SnapDragon 820 Kryo放弃了这种大小核心模式，基于ARMv8架构，参照部分Cortex-A72核心设计了SoC。除次之外还有Samsung设计的Exynos系列处理器、华为自主设计的Kirin系列处理等等，它们所设计的SoC都是基于ARM架构。当然了，纵使使用了同一种架构或者核心，不同厂商设计出的SoC性能必然是不同的，所以我们选择手机时会更关注是哪个公司设计的SoC，而不会更关注使用了ARM的哪种架构或者核心。
       虽然2016年ARM被日本软银收购，但是这并不意味着ARM没落了，ARM在物联网时代必定会占据很重要的角色，这就让我们拭目以待 吧。ARM的那些事儿就说到这了，感觉还是有很多没说完，不过再说下去就真的说不完了，还是留点空白给未来的ARM吧。
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写在后面的话：
       写这篇博文的时候萌生出一个想法，干脆写一个系列吧，把那些著名公司的事儿讲个遍。冷静下来想想，恩……这还是一个挺漫长的过程，希望慢慢完成它吧。这是我在CSDN上写的第一篇博文，写得不好之处，敬请谅解，欢迎指正。之所以萌生了写博文的想法，无非是想要对得起自己所学罢了。一直有在电脑上写笔记的习惯，不过往往都是写完了就丢在硬盘的某个角落里了，如果把它们整理出来想必也是一笔不小的“财富”，整理到博客上倒是一个不错的选择，在写博文当中也算是再次学习吧。只不过碍于工作和学习时间的问题，也不知道自己能做到多少，恩，努力吧……

2017-1-16

Kilento

附：2016年ARM公司产品
1) Mali-DP650
2) Cortex-R8：基于ARMv7-R架构
3) Cortex-A32：基于ARMv8-A 32bit架构
4) Cortex-A73：基于ARMv8-A 32bit/64bit架构
5) Mali-G71: 基于全新Bifrost架构， Cortex-R52:
6) Cortex-M23：基于ARMv8-M架构的嵌入式处理器
7) Cortex-M33：基于ARMv8-M架构的嵌入式处理器
8) Mali-G51
9) Mali-V61


参考资料
[1]ARM架构 ：https://zh.wikipedia.org/wiki/ARM%E6%9E%B6%E6%A7%8B
[2]文中ARM架构历史部分转载（有修改）自 ：http://blog.csdn.net/henjay724/article/details/52664350
[3]ARM发展史： http://www.veryarm.com/tag/arm%E5%8F%91%E5%B1%95%E5%8F%B2