ARM架構：有處理器之處，皆有ARM

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ARM 是誰？可以毫不夸張地說它正存在于每個人的身邊，從一個默默無聞的小公司占領了全世界。ARM 構架在其中起到重要的作用，這家 chipless 的公司通過絕佳的 IP 設計打動了大部分 MCU 廠商的心，使得他們紛紛拋棄自己的構架，轉而投身 ARM 構架。ARM 雖然在 PC 領域沒有戰(zhàn)勝英特爾，但是在移動處理器市場卻抓住了絕佳的機會，隨著英特爾宣布停止移動處理器的研發(fā)，ARM 大有一統(tǒng)江湖的態(tài)勢。最近也在宣布進軍服務器領域，這雖然短期內對英特爾構不成威脅，但是長遠來看，從英特爾手中分得一杯羹在所難免。

ARM 的發(fā)展有著怎么的曲折，又創(chuàng)造了哪些傳奇？我們從下面這篇文章來看。

提起 ARM，應該不會陌生，在前文中多次提到過 ARM 公司、ARM 處理器和 ARM 技術，雖然只是蜻蜓點水般地點到為止，但足以證明的其在 MCU 江湖中的地位，可以這樣總結：有處理器之處，皆有 ARM。

ARM 的 LOGO

ARM 芯片實物圖

看到這里，也許大家不禁要問：“ARM 到底有何能力，竟然獲得如此高的地位呢？”
概括下來，兩點足矣。

特點 1：節(jié)能。

ARM 最大的特點是節(jié)能，因此 ARM 處理器非常適用于行動通訊領域，符合其主要設計目標為低耗電的特性。

特點 2：龐大的家族。

時至今日，ARM 家族占了所有 32 位嵌入式處理器 75%的比例，使它成為占全世界最多數(shù)的 32 位架構之一。

如果不相信，那么隨手拆解一款消費類電子產(chǎn)品，尤其是便攜式的產(chǎn)品，比如：最常見的手機、MP3/4/5 等系列的播放器、甚至是 “超極本”，專業(yè)手持的數(shù)據(jù)采集器、PDA、掌上型電子游戲機等，極有可能發(fā)現(xiàn)，里面就是一顆 ARM“心”。如果不甘心，那么可以繼續(xù)追尋，打開家里的 PC 或與其相關的外設類的產(chǎn)品，諸如硬盤、路由器等，估計也會有同樣的收獲。如果足夠幸運，有一天“撞上”某款秘密等級較高的軍用設備，也許會驚嘆：OMG!原來它也是一顆 ARM 芯！

ARM，神一般的存在著的處理器。

此外，還有一些基于 ARM 設計的派生產(chǎn)品，重要產(chǎn)品還包括 Marvell 的 XScale 架構和德州儀器的 OMAP 系列。

現(xiàn)在還有疑問嗎？上述這兩點，擁有其一，便可以具有指點江山的資格吧？更何況 ARM 是兩者兼而有之！

在這里，就這個話題將展開詳細的討論，并逐步認識一下，ARM 的江湖地位是如何煉成的。

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1. 不走尋常路線的 ARM 公司

21 世紀，注定是個充滿傳奇的時代，傳奇的人物和傳奇的技術紛紛登上歷史的舞臺。
首先登場的是“嵌入式”，千禧年之后的時髦詞匯，并且成為 2001 年談論得最多的詞匯之一。2002 年，“嵌入式”的溫度還沒降下來，“ARM”便隆重登場，并位居熱門詞匯的榜首：談論最多、熱度最高。此后，電子工程師在技術交流的時候，如果不提及這個兩個詞匯，恐怕是不好意開口的。

究竟什么是 ARM 呢？

他是英國一家電子公司的名字，全名的意思是 Advanced RISC Machine（進階精簡指令集機器，早期曾用名 Acorn RISC Machine）。

該公司成立于 1990 年 11 月 27 日，Acorn 公司正式改組為 ARM 計算機公司，由蘋果電腦，Acorn 電腦集團和 VLSI Technology 的合資企業(yè)。其中蘋果公司出資 150 萬英鎊，芯片廠商 VLSI 出資 25 萬英鎊，Acorn 本身則以 150 萬英鎊的知識產(chǎn)權和 12 名工程師入股。

眾所周知，1990 的蘋果電腦，已經(jīng)是可以呼風喚雨了，Acorn 到底有何魅力，吸引了 Apple 呢？

別急，請看下文：
Acorn 計算機公司(Acorn Computers)創(chuàng)立于 1978 年，公司位于英格蘭的劍橋，世界上首個商用單芯片 RISC 處理器，便是它的杰作。Acorn 在 80 年代 PC 革命初期的貢獻，相當于美國的“蘋果公司”。

不得不說，這是一場門當戶對的聯(lián)盟。

聯(lián)盟之后，蘋果電腦當時的思路是：希望將 RISC 技術應用于自身系統(tǒng)。于是，ARM 微處理器新標準因此應運而生。12 年后，Acorn 計算機公司剝離了 ARM 部門，成立了 ARM 公司。出人意料的是，有資金、有人才的公司，當時的辦公地點非常簡陋，就是一個谷倉。

當年作為辦公地點的谷倉

當年在谷倉里開會的場景圖

從照片上看，可見當年的簡陋。不過，以今天的觀點來看，這是一種簡約和自然，有一種世外桃源的感覺。

簡陋，并沒有阻止 ARM 探險的腳步。

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20 世紀的 80 年代末 90 年代初，半導體行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈剛剛出現(xiàn)分工，臺積電，聯(lián)電等半導體代工廠正悄悄崛起。當時的芯片生產(chǎn)模式大體分為兩種：fabless 和 chipless。

fabless，公司自己設計芯片，但是生產(chǎn)過程則包給臺積電等代工廠生產(chǎn)。

chipless，公司既不生產(chǎn)芯片，也不設計芯片，而是設計出高效的 IP 內核，授權給半導體公司使用。

美國硅谷中的一些 fabless 公司如雨后春筍一樣涌現(xiàn)出來，而 ARM 則敢為天下先，選擇了后一種模式：半導體公司在取得授權后，在 ARM 技術的基礎上添加自己的設計并推出芯片產(chǎn)品，最后由 OEM 客戶采用這些芯片來構建基于 ARM 技術的系統(tǒng)產(chǎn)品。

這種做法在當時被認為可能面臨著很大風險，因為沒有人知道，這條路能不能行得通。ARM 選擇了一條沒人走過的路，歷史的發(fā)展證明，ARM 的選擇是正確的、成功的，正是這個模式，最終使得 ARM 芯片遍地開花，并使得 ARM 站在了半導體產(chǎn)業(yè)鏈上游的上游。

毫無疑問，ARM 是成功的，從 12 年前成立 ARM 時候的飽受質疑，到后來的遍地開花，“不走尋常路”，足以見證 ARM 的遠見卓識。同時，作為附加產(chǎn)品，他還讓全世界的行業(yè)人士，從這個窗口認識到了英國的電子公司，ARM 的成功帶動了英國的 chipless 公司的發(fā)展。

ARM 的核心業(yè)務是銷售芯片核心技術 IP，目前全球有 103 家巨型 IT 公司在采用 ARM 技術，20 家最大的半導體廠商中有 19 家是 ARM 的用戶，包括德州儀器，意法半導體，Philips，Intel 等。

當初，在 20 大巨頭中，唯一沒有購買 ARM 授權的是 Intel 的老對頭 AMD，因為 Intel 便攜式處理器采用的是 StrongARM，而 AMD 則收購了 Alchemy 公司與之抗衡，采用的是 MIPS 結構，但是經(jīng)過數(shù)年的努力，2016 年 1 月，AMD 終于推出了首個基于 ARM 架構的處理器——OpteronA1100。由此可見 ARM 的影響力。

微處理器核是 ARM 技術的重中之中，目前面向市場的有 ARM7, ARM9, ARM9E-S，StrongARM 和 ARM10 系列，在經(jīng)典處理器 ARM11 以后的產(chǎn)品，改用 Cortex 命名，有關 Cortex 系列的描述，將在下文中繼續(xù)展開。

2.ARM 的起源
1978 年 12 月 5 日，物理學家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師 Chris Curry，在英國劍橋創(chuàng)辦了 CPU 公司（Cambridge Processing Unit），主要業(yè)務是為當?shù)厥袌龉?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E7%94%B5%E5%AD%90%E8%AE%BE%E5%A4%87/">電子設備。1979 年，CPU 公司改名為 Acorn 計算機公司。

Acorn 公司的 LOGO

物理學家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師 Chris Curry

ARM 的設計是 Acorn 電腦公司（Acorn Computers Ltd）于 1983 年開始的開發(fā)計劃。Acorn 的一個小團隊要為他們的下一代計算機挑選合適的處理器，根據(jù)他們提供的技術需求，在當時的市場上無法找到合適的處理器，于是 Acorn 做了一個非常有魄力的決定：自己設計一個處理器！

雖然看起來有魄力，不過這個決定在當時來說無異于是一項冒險計劃，但形勢所迫不得不開啟冒險之旅。事情的經(jīng)過是這樣的：起初，Acorn 公司打算使用摩托羅拉公司的 16 位芯片，但是發(fā)現(xiàn)這種芯片太慢也太貴。

“一臺售價 500 英鎊的機器，不可能使用價格 100 英鎊的 CPU！”

他們轉而向 Intel 公司索要 80286 芯片的設計資料，但是遭到拒絕。誰讓人家是霸主呢？眼看著求援的路被堵死，唯一的辦法就是自行研發(fā)了。

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高風險意味著高回報，這一點在 18 個月后得到了驗證，而 ARM 其后的發(fā)展，不知道 Intel 是否會后悔當初的決定，但有一點是確定的，心理陰影面積是小不了的。

這個團隊由 Roger Wilson 和 Steve Furber 帶領，著手開發(fā)一種新架構，類似進階的 MOS Technology 6502 處理器。Acorn 有一大堆建構在 6502 架構上的電腦，因此能設計出一顆類似的芯片，即意味著對公司有很大的優(yōu)勢。

Roger Wilson 和 Steve Furber

就這樣，在 20 實際 80 年代中期，一個小團隊僅僅用了 18 個月就完成了從設計到實現(xiàn)的全過程，這是一臺 RISC 指令集的計算機，叫做 Acorn RISC Machine（簡稱 ARM）。后來 Acorn 公司沒落了，而處理器設計部門被分了出來，組成了一家新公司。

3.ARM 的發(fā)展

良好的開端是成功的一半，ARM 的發(fā)展之路同樣驗證了這個道理。下面是 ARM 的發(fā)展大事記：
1985——誕生了第一顆 ARM 芯片，ARM1 Sample 版。

1986——ARM2，具有 32 位數(shù)據(jù)總線，26 位地址總線，16 個 32 位寄存器的處理器實現(xiàn)產(chǎn)能量產(chǎn)，它是首顆“真正”的產(chǎn)能型芯片 。

20 世紀 80 年代晚期——蘋果電腦開始與 Acorn 合作開發(fā)新版的 ARM 核心。

1991——與蘋果的合作造就了 ARM6，并進入了蘋果的 Apple Newton PDA 和 Acorn Risc-PC 成為了它們的處理器。

蘋果公司的牛頓 PDA

在該年正式成立了 ARM 公司，作為 Acorn 的一家子公司。然后蘋果電腦使用 ARM6 架構的 ARM610 來當作他們 Apple Newton PDA 的基礎。在 1994 年，Acorn 使用 ARM 610 作為他們 Risc PC 電腦內的 CPU。

1991——至今 ARM 的產(chǎn)品已經(jīng)橫貫應用程序處理器，嵌入式處理器，專家系統(tǒng)等各種計算領域，成為了移動電子消費品市場、復雜工業(yè)控制應用的首選處理器體系架構。最成功的實作案例屬 ARM7TDMI，幾乎賣出了數(shù)億套內建微控制器的裝置。

20 世紀 90 年代，ARM 公司的業(yè)績平平，處理器的出貨量徘徊不前。但是進入 21 世紀之后，由于手機的快速發(fā)展，出貨量呈現(xiàn)爆炸式增長，ARM 處理器占領了全球手機市場。2006 年，全球 ARM 芯片出貨量為 20 億片。

截止到 2006 年的 ARM 芯片出貨量走勢

2007 年底，ARM 的雇員總數(shù)為 1728 人，持有專利 700 項（另有 900 項正在申請批準中），全球分支機構 31 家，合作伙伴 200 家，年收入 2.6 億英鎊。

2013 年 ARM 芯片的銷量，已經(jīng)超越了 Intel。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內容，謝絕轉載！

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與非網(wǎng)原創(chuàng)內容，謝絕轉載！

系列匯總：

之一：第一款處理器之謎

之二：處理器的春秋戰(zhàn)國時代：8 位處理器的恩怨與紛爭（上）

之三：處理器的春秋戰(zhàn)國時代：8 位處理器的恩怨與紛爭（下）

之四：處理器的三國時代：蘋果攪動 MCU 江湖

之五：處理器的三國時代：DR 公司盛氣凌人，IBM 轉身成就微軟

之六：32 位處理器的攻“芯”計：英特爾如何稱霸 PC 江湖？

之七：AMD 稱霸 PC 處理器市場的“曇花一現(xiàn)”

之八：CPU 兩大陣營對擂，X86 構架讓英特爾如日中天

之九：你知道 X86 構架，你知道 SH 構架嗎？

之十：SuperH 系列處理器：昔日惠普 Jornada PDA 的“核芯”

之十一：MIPS 構架：曾經(jīng)是英特爾的“眼中釘”

之十二：MIPS 構架之：我和龍芯有個約會