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ARM架构:有处理器之处,皆有ARM

2016/07/01
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ARM 是谁?可以毫不夸张地说它正存在于每个人的身边,从一个默默无闻的小公司占领了全世界。ARM 构架在其中起到重要的作用,这家 chipless 的公司通过绝佳的 IP 设计打动了大部分 MCU 厂商的心,使得他们纷纷抛弃自己的构架,转而投身 ARM 构架。ARM 虽然在 PC 领域没有战胜英特尔,但是在移动处理器市场却抓住了绝佳的机会,随着英特尔宣布停止移动处理器的研发,ARM 大有一统江湖的态势。最近也在宣布进军服务器领域,这虽然短期内对英特尔构不成威胁,但是长远来看,从英特尔手中分得一杯羹在所难免。

ARM 的发展有着怎么的曲折,又创造了哪些传奇?我们从下面这篇文章来看。

提起 ARM,应该不会陌生,在前文中多次提到过 ARM 公司、ARM 处理器和 ARM 技术,虽然只是蜻蜓点水般地点到为止,但足以证明的其在 MCU 江湖中的地位,可以这样总结:有处理器之处,皆有 ARM。

ARM 的 LOGO

ARM 芯片实物图

看到这里,也许大家不禁要问:“ARM 到底有何能力,竟然获得如此高的地位呢?”
概括下来,两点足矣。

特点 1:节能。

ARM 最大的特点是节能,因此 ARM 处理器非常适用于行动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。

特点 2:庞大的家族。

时至今日,ARM 家族占了所有 32 位嵌入式处理器 75%的比例,使它成为占全世界最多数的 32 位架构之一。

如果不相信,那么随手拆解一款消费类电子产品,尤其是便携式的产品,比如:最常见的手机、MP3/4/5 等系列的播放器、甚至是 “超极本”,专业手持的数据采集器、PDA、掌上型电子游戏机等,极有可能发现,里面就是一颗 ARM“心”。如果不甘心,那么可以继续追寻,打开家里的 PC 或与其相关的外设类的产品,诸如硬盘、路由器等,估计也会有同样的收获。如果足够幸运,有一天“撞上”某款秘密等级较高的军用设备,也许会惊叹:OMG!原来它也是一颗 ARM 芯!

ARM,神一般的存在着的处理器。

此外,还有一些基于 ARM 设计的派生产品,重要产品还包括 Marvell 的 XScale 架构和德州仪器的 OMAP 系列。

现在还有疑问吗?上述这两点,拥有其一,便可以具有指点江山的资格吧?更何况 ARM 是两者兼而有之!

在这里,就这个话题将展开详细的讨论,并逐步认识一下,ARM 的江湖地位是如何炼成的。

 


1. 不走寻常路线的 ARM 公司

21 世纪,注定是个充满传奇的时代,传奇的人物和传奇的技术纷纷登上历史的舞台。
首先登场的是“嵌入式”,千禧年之后的时髦词汇,并且成为 2001 年谈论得最多的词汇之一。2002 年,“嵌入式”的温度还没降下来,“ARM”便隆重登场,并位居热门词汇的榜首:谈论最多、热度最高。此后,电子工程师在技术交流的时候,如果不提及这个两个词汇,恐怕是不好意开口的。

究竟什么是 ARM 呢?

他是英国一家电子公司的名字,全名的意思是 Advanced RISC Machine(进阶精简指令集机器,早期曾用名 Acorn RISC Machine)。

该公司成立于 1990 年 11 月 27 日,Acorn 公司正式改组为 ARM 计算机公司,由苹果电脑,Acorn 电脑集团和 VLSI Technology 的合资企业。其中苹果公司出资 150 万英镑,芯片厂商 VLSI 出资 25 万英镑,Acorn 本身则以 150 万英镑的知识产权和 12 名工程师入股。

众所周知,1990 的苹果电脑,已经是可以呼风唤雨了,Acorn 到底有何魅力,吸引了 Apple 呢?

别急,请看下文:
Acorn 计算机公司(Acorn Computers)创立于 1978 年,公司位于英格兰的剑桥,世界上首个商用单芯片 RISC 处理器,便是它的杰作。Acorn 在 80 年代 PC 革命初期的贡献,相当于美国的“苹果公司”。

不得不说,这是一场门当户对的联盟。

联盟之后,苹果电脑当时的思路是:希望将 RISC 技术应用于自身系统。于是,ARM 微处理器新标准因此应运而生。12 年后,Acorn 计算机公司剥离了 ARM 部门,成立了 ARM 公司。出人意料的是,有资金、有人才的公司,当时的办公地点非常简陋,就是一个谷仓。

当年作为办公地点的谷仓

当年在谷仓里开会的场景图

从照片上看,可见当年的简陋。不过,以今天的观点来看,这是一种简约和自然,有一种世外桃源的感觉。

简陋,并没有阻止 ARM 探险的脚步。

 

20 世纪的 80 年代末 90 年代初,半导体行业产业链刚刚出现分工,台积电,联电等半导体代工厂正悄悄崛起。当时的芯片生产模式大体分为两种:fabless 和 chipless。

fabless,公司自己设计芯片,但是生产过程则包给台积电等代工厂生产。

chipless,公司既不生产芯片,也不设计芯片,而是设计出高效的 IP 内核,授权给半导体公司使用。

美国硅谷中的一些 fabless 公司如雨后春笋一样涌现出来,而 ARM 则敢为天下先,选择了后一种模式:半导体公司在取得授权后,在 ARM 技术的基础上添加自己的设计并推出芯片产品,最后由 OEM 客户采用这些芯片来构建基于 ARM 技术的系统产品。

这种做法在当时被认为可能面临着很大风险,因为没有人知道,这条路能不能行得通。ARM 选择了一条没人走过的路,历史的发展证明,ARM 的选择是正确的、成功的,正是这个模式,最终使得 ARM 芯片遍地开花,并使得 ARM 站在了半导体产业链上游的上游。

毫无疑问,ARM 是成功的,从 12 年前成立 ARM 时候的饱受质疑,到后来的遍地开花,“不走寻常路”,足以见证 ARM 的远见卓识。同时,作为附加产品,他还让全世界的行业人士,从这个窗口认识到了英国的电子公司,ARM 的成功带动了英国的 chipless 公司的发展。

ARM 的核心业务是销售芯片核心技术 IP,目前全球有 103 家巨型 IT 公司在采用 ARM 技术,20 家最大的半导体厂商中有 19 家是 ARM 的用户,包括德州仪器,意法半导体,Philips,Intel 等。

当初,在 20 大巨头中,唯一没有购买 ARM 授权的是 Intel 的老对头 AMD,因为 Intel 便携式处理器采用的是 StrongARM,而 AMD 则收购了 Alchemy 公司与之抗衡,采用的是 MIPS 结构,但是经过数年的努力,2016 年 1 月,AMD 终于推出了首个基于 ARM 架构的处理器——OpteronA1100。由此可见 ARM 的影响力。

微处理器核是 ARM 技术的重中之中,目前面向市场的有 ARM7, ARM9, ARM9E-S,StrongARM 和 ARM10 系列,在经典处理器 ARM11 以后的产品,改用 Cortex 命名,有关 Cortex 系列的描述,将在下文中继续展开。

2.ARM 的起源
1978 年 12 月 5 日,物理学家赫尔曼·豪泽(Hermann Hauser)和工程师 Chris Curry,在英国剑桥创办了 CPU 公司(Cambridge Processing Unit),主要业务是为当地市场供应电子设备。1979 年,CPU 公司改名为 Acorn 计算机公司。


Acorn 公司的 LOGO


物理学家赫尔曼·豪泽(Hermann Hauser)和工程师 Chris Curry


ARM 的设计是 Acorn 电脑公司(Acorn Computers Ltd)于 1983 年开始的开发计划。Acorn 的一个小团队要为他们的下一代计算机挑选合适的处理器,根据他们提供的技术需求,在当时的市场上无法找到合适的处理器,于是 Acorn 做了一个非常有魄力的决定:自己设计一个处理器!

虽然看起来有魄力,不过这个决定在当时来说无异于是一项冒险计划,但形势所迫不得不开启冒险之旅。事情的经过是这样的:起初,Acorn 公司打算使用摩托罗拉公司的 16 位芯片,但是发现这种芯片太慢也太贵。

“一台售价 500 英镑的机器,不可能使用价格 100 英镑的 CPU!”

他们转而向 Intel 公司索要 80286 芯片的设计资料,但是遭到拒绝。谁让人家是霸主呢?眼看着求援的路被堵死,唯一的办法就是自行研发了。

 

高风险意味着高回报,这一点在 18 个月后得到了验证,而 ARM 其后的发展,不知道 Intel 是否会后悔当初的决定,但有一点是确定的,心理阴影面积是小不了的。

这个团队由 Roger Wilson 和 Steve Furber 带领,着手开发一种新架构,类似进阶的 MOS Technology 6502 处理器。Acorn 有一大堆建构在 6502 架构上的电脑,因此能设计出一颗类似的芯片,即意味着对公司有很大的优势。


Roger Wilson 和 Steve Furber

就这样,在 20 实际 80 年代中期,一个小团队仅仅用了 18 个月就完成了从设计到实现的全过程,这是一台 RISC 指令集的计算机,叫做 Acorn RISC Machine(简称 ARM)。后来 Acorn 公司没落了,而处理器设计部门被分了出来,组成了一家新公司。

3.ARM 的发展

良好的开端是成功的一半,ARM 的发展之路同样验证了这个道理。下面是 ARM 的发展大事记:
1985——诞生了第一颗 ARM 芯片,ARM1 Sample 版。

1986——ARM2,具有 32 位数据总线,26 位地址总线,16 个 32 位寄存器的处理器实现产能量产,它是首颗“真正”的产能型芯片 。

20 世纪 80 年代晚期——苹果电脑开始与 Acorn 合作开发新版的 ARM 核心。

1991——与苹果的合作造就了 ARM6,并进入了苹果的 Apple Newton PDA 和 Acorn Risc-PC 成为了它们的处理器。

苹果公司的牛顿 PDA

在该年正式成立了 ARM 公司,作为 Acorn 的一家子公司。然后苹果电脑使用 ARM6 架构的 ARM610 来当作他们 Apple Newton PDA 的基础。在 1994 年,Acorn 使用 ARM 610 作为他们 Risc PC 电脑内的 CPU。

1991——至今 ARM 的产品已经横贯应用程序处理器,嵌入式处理器,专家系统等各种计算领域,成为了移动电子消费品市场、复杂工业控制应用的首选处理器体系架构。最成功的实作案例属 ARM7TDMI,几乎卖出了数亿套内建微控制器的装置。

20 世纪 90 年代,ARM 公司的业绩平平,处理器的出货量徘徊不前。但是进入 21 世纪之后,由于手机的快速发展,出货量呈现爆炸式增长,ARM 处理器占领了全球手机市场。2006 年,全球 ARM 芯片出货量为 20 亿片。


截止到 2006 年的 ARM 芯片出货量走势

2007 年底,ARM 的雇员总数为 1728 人,持有专利 700 项(另有 900 项正在申请批准中),全球分支机构 31 家,合作伙伴 200 家,年收入 2.6 亿英镑。

2013 年 ARM 芯片的销量,已经超越了 Intel。

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系列汇总:

之一:第一款处理器之谜

之二:处理器的春秋战国时代:8 位处理器的恩怨与纷争(上)

之三:处理器的春秋战国时代:8 位处理器的恩怨与纷争(下)

之四:处理器的三国时代:苹果搅动 MCU 江湖

之五:处理器的三国时代:DR 公司盛气凌人,IBM 转身成就微软

之六:32 位处理器的攻“芯”计:英特尔如何称霸 PC 江湖?

之七:AMD 称霸 PC 处理器市场的“昙花一现”

之八:CPU 两大阵营对擂,X86 构架让英特尔如日中天

之九:你知道 X86 构架,你知道 SH 构架吗?

之十:SuperH 系列处理器:昔日惠普 Jornada PDA 的“核芯”

之十一:MIPS 构架:曾经是英特尔的“眼中钉”

之十二:MIPS 构架之:我和龙芯有个约会

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Arm

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ARM公司是一家知识产权(IP)供应商,主要为国际上其他的电子公司提供高性能RISC处理器、外设和系统芯片技术授权。目前,ARM公司的处理器内核已经成为便携通讯、手持计算设备、多媒体数字消费品等方案的RISC标准。公司1990年11月由Acorn、Apple和VLSI合并而成。

ARM公司是一家知识产权(IP)供应商,主要为国际上其他的电子公司提供高性能RISC处理器、外设和系统芯片技术授权。目前,ARM公司的处理器内核已经成为便携通讯、手持计算设备、多媒体数字消费品等方案的RISC标准。公司1990年11月由Acorn、Apple和VLSI合并而成。收起

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1996毕业于华东理工大学自控系,同年7月进入某大型国企担任电气员。2000年转行从事硬件研发相关工作;后从事RFID相关产品的研发、设计,曾参与中国自动识别协会RFID行业标准的起草;历任硬件工程师、主管设计师、项目经理、部门经理;2012年至今,就职于沈阳工学院,担任电子信息工程专业教师,研究方向:自动识别技术。已经出版教材《自动识别技术概论》,职场故事《51的蜕变 》。