arm架构 Arm架构知识科普

随着近十年移动互联网的发展，智能手机大规模普及，曾经不广为人知的ARM公司也火了。1985年，在英国剑桥成立的芯片设计公司开发了一种精简指令集架构处理器，称为Acorn RISC Machine，简称著名的ARM。作为一家处理器设计公司，其开发的ARM架构最初是针对低功耗、低成本、高性能的处理器。

ARM架构是采用独特的ARM指令集系统，根据不同的应用范围进行开发的处理器架构。经过30多年的发展，ARM架构已经被设计用于不同类型的计算。简单来说就是这几种。

Cortex-A:用于高性能计算。比如我们现在手机SoC中经常出现的Cortex-A76。

Cortex-R:用于实时操作的处理。主要针对嵌入式实时处理器。常见于汽车电子制动系统、工业控制等领域。

Cortex-M:专为低功耗、低成本系统设计。目前，在热门的物联网领域，经常看到使用Cortex-M架构的处理器。

ARM架构，更重要的是ARM指令集系统。与x86架构不同，CISC架构是精简指令集架构。与CISC体系结构处理器相比，精简指令集设计的ARM体系结构的设计目标是在几个周期内以最高的时钟频率执行指令集。大大减少不常用的指令，降低芯片复杂度。采用加载/存储指令架构，处理器通过加载和存储指令访问内存中的数据，CPU只处理寄存器中的数据进行逻辑和算术运算。同时，由于这个原因，包括ARM在内的很多RISC架构处理器都有很多寄存器来存储指令和数据。为了便于指令解码，ARM处理器虽然不是单周期指令，但其指令大部分是定长的，加快了常见运算的速度。

同时，ARM也不完全局限于此。ARM架构还有Thumb指令集和条件执行等技术，进一步提高处理器效率。

所以，综上所述，ARM架构是一种精简指令集计算机架构，有自己的特点，根据不同的用途有不同类型的处理器架构。

那么为什么高通和三星都有ARM架构呢？

有几个原因可以参考。

首先是授权。众所周知，由于授权问题只能生产少数x86架构，包括Intel、AMD、VIA。而泉美达只生产基于纯软件仿真x86处理器的CPU。国内Megacore和广海也有一定的授权限制。

除了x86之外，另一个众所周知的指令集系统MIPS也可以在许可下生产。虽然许可成本相对较高，但其灵活性极高，因此存在严重的“碎片化”。有设计能力的都是独立设计微架构和添加指令。比如国产龙芯，索尼的PSP游戏机等。

授权ARM的方法有很多。首先是处理器授权，只对设计好的内核进行授权，工厂买了之后几乎没有发挥的空间。比如海思的一些麒麟处理器就采用这种方式。还有架构/指令集授权，在微结构设计上更有弹性，比如苹果的漩涡，三星的M3和M4，高通的Krait等等。同时，即使厂商在定制自己的微体系结构，指令集也是有限制的，所以即使厂商修改了软件级别，比如编译器等工具，也不需要大的改动。所以很多安卓手机处理器都在争抢。兼容性得到保证，厂商可以充分发挥。所以高通、三星等厂商选择ARM处理器也是最好的选择。

虽然现在MIPS和IBM的Power架构都是开源的，也有RISC-V这样的开源指令集和架构，开始时是开源的，已经初具规模，但是独特的授权策略让ARM拥有了一批忠实的粉丝。

其次，适用范围。ARM架构虽然强调低功耗、高性能，但近年来应用范围相对狭窄，在嵌入式设备、手持设备等低功耗领域一直比较活跃。合作伙伴还生产更多低功耗处理器。甚至英特尔也生产了基于ARM指令集的XScale处理器，戴尔也生产了基于这种处理器的PDA(这是一个古老的概念)。本世纪头十年，最热门的手机品牌诺基亚的Symbian智能手机也使用了ARM11架构处理器。现在高通和三星都是手机SoC设计的重要厂商，他们不仅可以通过选择ARM架构快速切入低功耗处理器市场，还可以凭借ARM丰富的经验快速设计出功能强大的处理器。

最后，利用移动互联网的东风，在最需要智能手机计算性能的时候提供足够的性能，为处理器设计厂商提供足够的经验。ARM早在2002年(距离2019年17年)就开发了ARM11架构和处理器。8年后的2010年，依然有搭载ARM11架构处理器的手机。比如摩托罗拉ME600 空采用高通MSM7201A SoC，其CPU为ARM11架构。然后Cortex-A8早在2005年就开发出来了。所以在安卓手机开始崛起的时候，ARM及其合作伙伴已经有了足够的经验，性能也满足了当时安卓手机的需求。目前高通的Snapdragon处理器和三星的Exynos处理器都是安卓手机行业的重要组件，生产的SoC CPU部件都是基于ARM设计的内核或者指令集。

高通、三星等公司因为与ARM的紧密合作，才有如此强大的智能手机，所以荣辱与共。同时，在高通和三星依靠ARM提供的处理器架构和指令集的同时，ARM也需要三星、TSMC等公司的支持，用代码的处理器内核对实际的硅片进行编程。所以这不是谁看谁的问题，而是各方合作的结果。

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