作者 | 北灣南巷
出品 | 汽車電子與軟件
自1983年由英國劍橋的Acorn計算機公司首次設計以來，ARM (Advanced RISC Machine)架構已成為低功耗、高性能處理器的代表，廣泛應用于移動設備、嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網等領域。ARM架構以精簡指令集（RISC）、高效執(zhí)行引擎和模塊化設計為核心，極大提升了處理器的性能和能效，同時有效降低了功耗。這種架構通過靈活的設計理念，支持多核技術、低功耗優(yōu)化和虛擬化技術，使芯片能夠高效處理并行任務，延長設備續(xù)航時間。在芯片設計中，ARM架構的這些特性不僅在傳統(tǒng)移動設備中占據優(yōu)勢，還拓展到云計算和數據中心等新興領域，為高性能和低能耗的應用提供了堅實的基礎。
#01 相關理論基礎
1.1 ARM架構概述
ARM架構是一種精簡指令集計算機（RISC）架構，自其誕生以來，以低功耗、高性能和易于集成的特性，在計算機體系結構中占據了重要地位。ARM架構的發(fā)展歷程從最初的ARMv1逐步演進至如今的ARMv9，每一代版本的更新都標志著技術的進步和性能的提升，體現(xiàn)了其對市場需求的快速響應。（*ARM9之后，ARM推出了諸如ARM11架構，進一步提高了性能和能效，并引入了更先進的特性，如多媒體指令集和更好的多核支持。）
* VFP（Vector Floating Point）是ARM公司為其 Cortex-A 系列處理器設計的一種 SIMD（Single Instruction, Multiple Data，單指令多數據）技術。SIMD 技術允許一條指令同時對多個數據進行操作，從而在多媒體和信號處理方面提高處理速度和效率。
* NEON的全稱是“Advanced SIMD”，即“高級單指令多數據”處理技術。它是ARM架構中的一個重要組成部分，旨在通過并行處理數據來提高處理器的性能，特別是在處理多媒體和信號處理任務時。NEON技術允許處理器同時執(zhí)行多個操作，從而加速了圖像處理、音頻處理、視頻編碼和解碼等計算密集型的應用。
* TrustZone 是 ARM 公司提出的一項安全技術，旨在為嵌入式系統(tǒng)和移動設備提供一種安全的運行環(huán)境。這項技術通過在芯片設計中加入一個獨立的 secure world（安全世界），與傳統(tǒng)的 non-secure world（非安全世界）形成對比，從而實現(xiàn)對敏感數據和操作的隔離保護。
*Jazelle技術是ARM架構中的一個擴展，它允許ARM處理器直接執(zhí)行Java字節(jié)碼，而不需要先將字節(jié)碼轉換為機器碼。這項技術的目的是為了提高運行Java應用程序的效率，尤其是在移動設備上，如智能手機和平板電腦。
在ARM架構的發(fā)展過程中，每個版本的更新不僅提升了整體性能，還針對不同應用場景進行了優(yōu)化：
ARMv7與32位系統(tǒng)的支持
ARMv7是ARM架構成熟期的重要里程碑，推出了Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三大處理器系列，分別針對高性能應用、實時控制和微控制器領域。Cortex-A8、A9等型號成為智能手機和平板電腦的主力芯片，為安卓設備和iOS設備提供了強大的處理能力。ARMv7的設計特點是性能優(yōu)化、低功耗，并支持更多的多核架構，從而進一步增強了設備的多任務處理能力。
ARMv8及之后的64位系統(tǒng)的優(yōu)勢
ARMv8架構是ARM歷史上的一個重大轉折點，引入了對64位運算的支持（AArch64），并保持對32位應用的兼容性（AArch32）。這一改進使ARM架構在性能上有了顯著的提升，為更復雜的計算任務提供了可能性，如高性能應用、服務器和數據中心。這一時期，蘋果率先在其iPhone 5s中采用了基于ARMv8架構的A7芯片，這是智能手機行業(yè)首款64位處理器，引領了移動設備向64位過渡的潮流。
ARMv8還引入了更多的虛擬化支持和安全功能，如TrustZone技術，進一步提高了設備的安全性，使其能夠在企業(yè)應用和IoT設備中發(fā)揮更大的作用。
ARMv9：安全性、AI、機器學習等領域的增強
ARMv9架構是ARM最新的處理器架構，旨在應對人工智能、機器學習和安全性等新興技術領域的需求。與ARMv8相比，ARMv9在性能和能效上進一步提升，并引入了新的安全功能和AI計算擴展。
ARMv9的一個重要特點是引入了 “機密計算架構”（CCA），該架構通過硬件支持的數據隔離和加密，使得設備在處理敏感數據時能夠提供更高的安全性，這對于現(xiàn)代企業(yè)和個人用戶的數據安全需求至關重要。
*Realm：這是一個隔離的環(huán)境，用于運行中間件和應用程序，以及操作系統(tǒng)。
*Non-secure：這是一個非安全區(qū)域，也運行中間件和應用程序，以及操作系統(tǒng)。它通過Hypervisor與安全區(qū)域進行通信。
*Secure：這是一個安全區(qū)域，運行中間件和應用程序，以及操作系統(tǒng)。它通過Secure Partition Manager與非安全區(qū)域進行通信。
在AI和機器學習方面，ARMv9加入了SVE2（Scalable Vector Extension 2可擴展矢量擴展2），以增強處理向量化數據和AI計算任務的能力。SVE2的加入使得ARM處理器在進行復雜的數據分析、圖像處理和機器學習推理時能夠更有效率，進一步擴展了其在邊緣計算和數據中心中的應用前景。
ARMv9強化了在AI和機器學習任務中的能力，使其能夠在邊緣設備上執(zhí)行更復雜的推理和計算任務，這對于物聯(lián)網設備、智能家居和工業(yè)自動化等領域有著重要的意義。
ARM9之后，ARM推出了ARM11架構，進一步提高了性能和能效，并引入了更先進的特性，如多媒體指令集和更好的多核支持。
1.2 Cortex處理器系列
ARM的Cortex系列是ARM處理器產品線中最廣泛應用的家族，針對不同的應用場景，分為Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三大類，每一類都有各自的特點和目標應用。
1.3 其他ARM處理器設計
除了傳統(tǒng)的Cortex系列處理器，ARM還推出了針對高性能計算和數據中心的專用架構，滿足云計算、大數據和邊緣計算等新興領域的需求。
Neoverse架構：數據中心和高性能計算
- Neoverse 是ARM專為數據中心和高性能計算（HPC）設計的架構，重點提升多核計算能力、能效和系統(tǒng)帶寬。它與傳統(tǒng)的Cortex系列不同，針對的是服務器級別的計算環(huán)境，致力于提供更高的并行處理能力和更強的計算性能。
- 應用場景：Neoverse架構被廣泛應用于云服務器、數據中心、網絡基礎設施和邊緣計算設備中。隨著ARM生態(tài)系統(tǒng)的不斷壯大，越來越多的云服務提供商（如Amazon AWS的Graviton處理器）采用ARM架構進行高效能計算和大規(guī)模數據處理。Neoverse處理器提供的多核并行性和高能效設計，使其在處理AI、機器學習、數據分析和科學計算等任務時表現(xiàn)出色。
1.4 ARM的授權模式
ARM架構的成功還源于其開放的授權模式，吸引了大量芯片廠商參與其中。國內如華為和紫光展銳等企業(yè)，基于ARM架構開發(fā)了多款具有自主知識產權的處理器產品，這些產品廣泛應用于智能手機、平板電腦、物聯(lián)網等領域，進一步推動了ARM架構的普及和發(fā)展。例如，華為的麒麟系列處理器在多項性能測試中表現(xiàn)優(yōu)異，贏得了市場和消費者的廣泛認可，通過深度定制優(yōu)化，成功躋身高端芯片行列，成為國產高端芯片的代表, 顯示了ARM架構在移動設備領域的強大適應性和競爭力。
與此同時，國外的ARM架構研究與應用同樣蓬勃發(fā)展。作為ARM架構的創(chuàng)始者與核心知識產權持有者，ARM公司持續(xù)推動該架構的技術創(chuàng)新和市場拓展。高通、三星、蘋果等國際知名芯片廠商基于ARM架構開發(fā)出多款高性能處理器，這些產品在全球范圍內享有極高聲譽和市場占有率。尤其在智能手機和平板電腦領域，ARM架構已成為主導力量，憑借卓越的性能與能效表現(xiàn)，確?；贏RM的設備在移動計算市場占據重要地位。此外，ARM架構正逐步進軍筆記本電腦市場，展現(xiàn)出對傳統(tǒng)x86架構的有力挑戰(zhàn)，帶來了更高效的功耗管理和移動性體驗。
無論在國內還是國外，ARM架構的研究和應用都展現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭。隨著技術的不斷演進和市場的拓展，ARM架構將在未來進一步發(fā)揮重要作用，推動全球計算機技術的持續(xù)創(chuàng)新與進步。特別是在人工智能、物聯(lián)網和云計算等新興領域，ARM架構將為構建低功耗、高性能的計算平臺提供更多可能性，助力全球信息技術產業(yè)的升級和發(fā)展。
1.5 ARM指令集
ARM指令集作為ARM架構的核心，設計中體現(xiàn)了簡潔與高效的理念。其主要分為兩大類：ARM指令和Thumb指令，分別針對不同的應用場景和性能需求。
- ARM指令：ARM指令采用32位長度，這種設計使得每條指令能夠攜帶更多的操作信息和尋址模式，支持更為復雜的操作。這類指令在高性能計算任務中表現(xiàn)優(yōu)異，能夠滿足復雜算法和數據處理的需求。其豐富的指令功能和靈活的尋址方式，為高性能處理器提供了強大的運算能力。此外，ARM指令集在執(zhí)行時能夠快速、高效地處理數據，適用于需要高吞吐量的應用，如多媒體處理和圖像運算。
- Thumb指令：Thumb指令長度為16位，設計目標是在保持一定性能的同時，降低功耗和提高代碼密度。相比ARM指令，Thumb指令集的緊湊性使得代碼占用更少的存儲空間，這在內存有限的嵌入式系統(tǒng)中尤為重要。它特別適用于對成本和功耗有嚴格要求的設備，如物聯(lián)網終端、可穿戴設備和低功耗傳感器。通過減少每條指令的長度，Thumb指令集實現(xiàn)了更高的能效，滿足了便攜式設備對低功耗和緊湊設計的需求。
ARM指令集憑借其簡潔、高效的特點，成為計算機指令集設計的典范。在高性能計算和低功耗應用場景中，ARM指令集都能提供合適的解決方案。通過不斷適應技術發(fā)展趨勢、優(yōu)化架構性能、擴展新功能，ARM指令集不僅實現(xiàn)了技術層面的創(chuàng)新，更抓住了市場需求，推動了ARM架構在全球范圍內的廣泛應用和持續(xù)發(fā)展。
1.6 ARM處理器結構
ARM處理器的核心結構是其實現(xiàn)高性能和低功耗的基礎，主要包括處理器核心、緩存系統(tǒng)和總線接口等關鍵模塊。這些組件通過緊密協(xié)作，確保指令的高效執(zhí)行和數據的快速處理。如圖是一個典型的ARM架構處理器芯片內部結構示意圖，各個模塊的作用如下：
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在運行過程中，ARM Core從外部存儲器（通過Code Interface）加載指令，并通過Bus Matrix和各模塊進行數據交互。
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NVIC和WIC確保系統(tǒng)可以響應外部事件并高效處理中斷。
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DAP和ETM等調試模塊為開發(fā)者提供強大的調試工具，方便進行程序優(yōu)化和問題排查。
- 內存保護和虛擬化技術（如MPU和TrustZone）保障系統(tǒng)的安全性和數據完整性。
ARM處理器的結構設計始終圍繞高性能、低功耗和易集成等目標，通過不斷優(yōu)化核心結構、提升緩存系統(tǒng)性能以及完善總線接口設計，適應不同的應用需求。在移動設備、嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網設備等領域，ARM處理器以其卓越的能效比、靈活的架構設計和可擴展性，成為主流選擇。例如，Big.LITTLE架構的提出，通過結合高性能核心和低功耗核心，實現(xiàn)了在性能和能耗之間的動態(tài)平衡，在手機和嵌入式設備中廣泛應用。
隨著技術的不斷進步和市場需求的多樣化，ARM處理器結構設計將繼續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。例如，隨著人工智能（AI）應用的普及，未來的ARM處理器將更多地集成專用AI加速器，以便在邊緣設備上實現(xiàn)實時AI推理。此外，5G技術和物聯(lián)網設備的激增，將促使ARM架構進一步優(yōu)化其低功耗特性，以支持海量連接設備的高效通信。通過不斷演進，ARM處理器將在未來計算領域注入更多活力，為更多應用場景提供創(chuàng)新的計算解決方案。
1.7 ARM架構中的關鍵技術
ARM架構中的關鍵技術涵蓋了多核技術、低功耗設計和虛擬化技術等領域，這些技術協(xié)同作用，構成了ARM架構的核心競爭力，使其在多樣化的應用場景中表現(xiàn)卓越。
多核技術
多核技術在ARM架構中尤為重要，通過在一個處理器內集成多個核心，實現(xiàn)了并行處理能力的顯著提升。這種設計不僅支持同時處理多個任務，還能通過任務分割和并行執(zhí)行，提高單個任務的處理效率。尤其是在復雜計算任務和多任務操作中，多核技術使ARM處理器能夠高效響應，提高整體性能和用戶體驗。隨著大數據處理、圖像處理等應用需求的增長，多核技術成為了ARM架構應對復雜計算的關鍵手段。
低功耗設計
ARM架構的低功耗設計是其在移動設備市場取得成功的基礎。為了滿足便攜設備對電池續(xù)航的需求，ARM通過精心的電路優(yōu)化、動態(tài)電壓和頻率調節(jié)（DVFS）等技術，顯著降低了處理器的功耗。在不犧牲性能的前提下，ARM處理器能以更低的能耗運行，從而延長設備的使用時間。這種低功耗特性不僅在智能手機和平板電腦中發(fā)揮優(yōu)勢，也在物聯(lián)網和可穿戴設備等領域得到廣泛應用，支持設備全天候運行。
虛擬化技術
隨著云計算和數據中心的快速發(fā)展，虛擬化技術成為ARM架構中不可或缺的組成部分。ARM通過支持硬件級虛擬化，使多個操作系統(tǒng)和虛擬機可以在同一物理處理器上獨立運行，實現(xiàn)了資源的靈活調度和高效利用。通過虛擬化技術，企業(yè)能夠在減少物理服務器數量的同時，提升整體資源利用率，降低成本。這項技術的應用拓寬了ARM處理器在數據中心和邊緣計算等高性能領域的應用范圍，為用戶帶來了靈活高效的計算解決方案。
可擴展性與兼容性
ARM架構在可擴展性和兼容性方面的設計同樣值得關注。無論是面向高性能需求的服務器，還是低功耗的嵌入式設備，ARM架構都能通過模塊化的設計適應不同的應用場景。這種可擴展性使開發(fā)者能夠根據具體需求配置處理器核心數量、頻率和功能，同時確保與現(xiàn)有軟件和硬件的兼容性。ARM的開放授權模式進一步促進了其生態(tài)系統(tǒng)的擴展，吸引了各大芯片廠商參與創(chuàng)新，使得ARM架構在多個行業(yè)領域中獲得廣泛應用。
ARM架構憑借多核技術、低功耗設計和虛擬化技術等關鍵技術，打造了強大的計算平臺。多核技術提升了并行處理能力，低功耗設計滿足了移動設備的需求，而虛擬化技術則助力數據中心和云計算的發(fā)展。這些技術優(yōu)勢加上高度的可擴展性和兼容性，使ARM架構在不斷變化的市場中保持領先。隨著技術的持續(xù)演進，ARM將在更多領域釋放其潛力，為計算機科學技術的發(fā)展注入新活力。
1.8 ARM常用的操作系統(tǒng)
ARM架構上常用的操作系統(tǒng)種類繁多，涵蓋從開源平臺到專有系統(tǒng)，為基于ARM的設備提供了多樣化的軟件生態(tài)支持。以下是一些典型的操作系統(tǒng)及其在ARM架構上的特點和應用優(yōu)勢。
參考：
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華為自研CPU，遇到了最佳時候，網友：老天都在幫華為—維科號
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Quick Look At Windows 10 On ARM - MDM Tech Space
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被Armv9 重點引入的SVE2是何方神圣？_Photo
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Introducing the Confidential Compute Architecture - Arm Announces Armv9 Architecture: SVE2, Security, and the Next Decade
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An Introduction To ARMv9 & Its Key Features Trustonic
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ARM processor Introduction
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The ARM Processors: A, R, and M Categories and Their Specifics - Sirin Software
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Arm Clashes With Intel and AMD With N2 Server CPU Core | Electronic Design
