前言

有粉絲問(wèn)我到底什么是ARM，搞不清楚Cortex、arm內(nèi)核、arm架構(gòu)、ARM指令集、soc這些概念都是什么關(guān)系，下面一口君給大家整理一下關(guān)于ARM相關(guān)的一些概念。

1、ARM既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。2、ARM公司是專門(mén)從事基于RISC技術(shù)芯片設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的公司，作為知識(shí)產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而是轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可，由合作公司生產(chǎn)各具特色的芯片。3、ARM處理器的內(nèi)核是統(tǒng)一的，由ARM公司提供，而片內(nèi)部件則是多樣的，由各大半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)，這使得ARM設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的時(shí)候，可以基于同樣的核心，使用不同的片內(nèi)外設(shè)，從而具有很大的優(yōu)勢(shì)。

下面我們針對(duì)這些概念，給大家逐一介紹。

ARM公司

ARM首先是一個(gè)公司，即Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)。但是他本來(lái)并不叫這個(gè)名字，來(lái)看看ARM公司的成長(zhǎng)歷史。

1978年，一個(gè)名叫Hermann Hauser的奧地利籍物理學(xué)博士，還有他的朋友，一個(gè)名叫Chris Curry的英國(guó)工程師成立了一家名字叫“CPU”的公司。這家CPU公司的全稱，是Cambridge Processor Unit，字面意思是“劍橋處理器單元”。

CPU公司成立之后，主要從事電子設(shè)備設(shè)計(jì)和制造的業(yè)務(wù)。他們接到的第一份訂單，是制造賭博機(jī)的微控制器系統(tǒng)。

這個(gè)微控制器系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)后，稱之為Acorn System 1。

之所以叫Acorn，就是因?yàn)樗麄兿朐陔娫掽S頁(yè)里排在Apple（蘋(píng)果）公司的前面。

在Acorn System 1之后，他們又陸續(xù)開(kāi)發(fā)了System 2、3、4，還有面向消費(fèi)者的盒式計(jì)算機(jī)——Acorn Atom。

到了1981年，公司迎來(lái)了一個(gè)難得的機(jī)遇——英國(guó)廣播公司BBC打算在整個(gè)英國(guó)播放一套提高電腦普及水平的節(jié)目，他們希望Acorn能生產(chǎn)一款與之配套的電腦。

但是他們就發(fā)現(xiàn)，自己產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)并不能滿足需求。當(dāng)時(shí)，中央處理器的發(fā)展潮流，正在從8位變成16位。Acorn并沒(méi)有合適的芯片可以用。

于是，他們打算去找當(dāng)時(shí)如日中天的英特爾（Intel），希望對(duì)方提供一些80286處理器的設(shè)計(jì)資料和樣品。然而，英特爾無(wú)情地拒絕了他們。

備受打擊的Acorn公司，一氣之下決定自己干，自己造芯片。（多么熟悉的橋段?。?/p>

于是Acorn公司的研發(fā)人員從美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校找到了一個(gè)關(guān)于新型處理器的研究——簡(jiǎn)化指令集，恰好可以滿足他們的設(shè)計(jì)要求。

在此基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多年的艱苦奮斗，來(lái)自劍橋大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家Sophie Wilson和Steve Furber最終完成了微處理器的設(shè)計(jì)。前者負(fù)責(zé)指令集開(kāi)發(fā)，后者負(fù)責(zé)芯片設(shè)計(jì)。

對(duì)于這塊芯片，Acorn給它命名為Acorn RISC Machine。

這就是**“ARM”**三個(gè)字母的由來(lái)。

在ARM1之后，Acorn陸續(xù)推出了好幾個(gè)系列，例如ARM2，ARM3。

1990年，Acorn為了和蘋(píng)果合作，專門(mén)成立了一家公司，名叫ARM。

注意，這里的ARM是公司名稱，不是芯片名稱。這個(gè)ARM的完全拼寫(xiě)也不一樣，是Advanced RISC Machines。

前面的芯片名稱：Acorn RISC Machine現(xiàn)在的公司名稱：Advanced RISC Machines

20世紀(jì)90年代，ARM 32位RISC(Reduced lnstruction Set Computer)處理器擴(kuò)展到國(guó)際范圍，占有了低功耗、低成本和高功能的嵌入式體系運(yùn)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

ARM公司既不出產(chǎn)芯片也不出售芯片，它只出售芯片技能授權(quán)。

正式這個(gè)政策的制定，讓ARM公司擺脫了現(xiàn)金流的困擾，可以全身心都入到芯片研發(fā)上。

1998年4月17日，業(yè)務(wù)飛速發(fā)展的ARM控股公司，同時(shí)在倫敦證交所和納斯達(dá)克上市。2007年，劃時(shí)代產(chǎn)品-iPhone 問(wèn)世。而第一代iPhone，正是使用了ARM設(shè)計(jì)、三星制造的芯片。

2008年，谷歌推出了Android（安卓）系統(tǒng)，也是基于ARM指令集。至此，智能手機(jī)進(jìn)入了飛速發(fā)展階段，ARM也因此奠定了在智能手機(jī)市場(chǎng)的霸主地位。

2016年7月18日消息，日本軟銀以234億英鎊（約合310億美元）的價(jià)格收購(gòu)英國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司ARM。

2020年9月14日，英偉達(dá)正式宣布將以400億美元的價(jià)格從軟銀手中收購(gòu)ARM公司。根據(jù)協(xié)議，英偉達(dá)將向軟銀公司支付價(jià)值215億美元的英偉達(dá)股票，以及120億美元現(xiàn)金。

目前這樁收購(gòu)案遭到了包括英特爾、高通、特斯拉等多家硅谷科技巨頭的反對(duì)，他們認(rèn)為這筆交易對(duì)行業(yè)不利，此外中國(guó)和歐盟的監(jiān)管機(jī)構(gòu)也可能會(huì)反對(duì)該收購(gòu)案。

靜觀其變吧！

ARM內(nèi)核與架構(gòu)

任何一款A(yù)RM芯片都由兩大部分組成：ARM內(nèi)核，外設(shè)。

ARM內(nèi)核

ARM內(nèi)核：包括了寄存器組、指令集、總線、存儲(chǔ)器映射規(guī)則、中斷邏輯和調(diào)試組件等。內(nèi)核是由ARM公司設(shè)計(jì)并以銷售方式授權(quán)給個(gè)芯片廠商使用的（ARM公司本身不做芯片）。比如為高速度設(shè)計(jì)的Cortex A8、A9都是ARMv7a 架構(gòu);Cortex M3、M4是ARMv7m架構(gòu);前者是處理器（就是內(nèi)核），后者是指令集的架構(gòu)（也簡(jiǎn)稱架構(gòu)）。

外設(shè)部分包括計(jì)時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、i2c、UART、SPI、ROM...等等，則完全由各芯片廠商自己設(shè)計(jì)并與ARM內(nèi)核銜接配套。不同的芯片廠商就有不同的外設(shè)，因此構(gòu)成了數(shù)量和規(guī)格龐大的ARM芯片產(chǎn)業(yè)。

ARM指令集架構(gòu)

指令集的設(shè)計(jì)是處理器結(jié)構(gòu)中最重要的一個(gè)部分，用ARM的術(shù)語(yǔ)稱之為ISA（Instruction Set Architecture）。

指令集可以說(shuō)是cpu設(shè)計(jì)的靈魂，是打開(kāi)CPU這個(gè)潘多拉魔盒的咒語(yǔ)，要想使用cpu，我們只能通過(guò)這些指令來(lái)操作cpu。

對(duì)于32位的cpu，這些指令就是一個(gè)個(gè)32位的01的序列，不同的值就代表了不同的機(jī)器指令，cpu的硬件能完美的解析并執(zhí)行這些指令，比如尋址、運(yùn)算、異常處理等等。

當(dāng)我們用手機(jī)玩著王者榮耀的時(shí)候，要知道我們的每發(fā)的一招，其實(shí)最終都是被翻譯成了一系列機(jī)器指令。

從1985年ARMv1架構(gòu)誕生起，到2011年，ARM架構(gòu)已經(jīng)發(fā)展到了第八代ARMv8。

Cortex-A32/35/53/57/72/73/77/78采用的都是ARMv8架構(gòu)，這是ARM公司的首款支持64位指令集的處理器架構(gòu)。

ARM11之前的處理器和指令集架構(gòu)

ARM11芯片之前，每一個(gè)芯片對(duì)應(yīng)的架構(gòu)關(guān)系如下：

ARM11之后處理器和指令集架構(gòu)

ARM11芯片之后，也就是從ARMv7架構(gòu)開(kāi)始，ARM的命名方式有所改變。

新的處理器家族，改以Cortex命名，并分為三個(gè)系列，分別是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M。

很巧合，又是這三個(gè)字母A、R、M。

Cortex-A系列（A：Application）

針對(duì)日益增長(zhǎng)的消費(fèi)娛樂(lè)和無(wú)線產(chǎn)品設(shè)計(jì)，用于具有高計(jì)算要求、運(yùn)行豐富操作系統(tǒng)及提供交互媒體和圖形體驗(yàn)的應(yīng)用領(lǐng)域，如智能手機(jī)、平板電腦、汽車娛樂(lè)系統(tǒng)、數(shù)字電視，智能本、電子閱讀器、家用網(wǎng)絡(luò)、家用網(wǎng)關(guān)和其他各種產(chǎn)品。。

Cortex-R系列 （R：Real-time）

針對(duì)需要運(yùn)行實(shí)時(shí)操作的系統(tǒng)應(yīng)用，面向如汽車制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)解決方案、大容量存儲(chǔ)控制器等深層嵌入式實(shí)時(shí)應(yīng)用。

Cortex-M系列（M：Microcontroller）

該系列面向微控制器領(lǐng)域，主要針對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用，如智能測(cè)量、人機(jī)接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、家用電器、消費(fèi)性產(chǎn)品和醫(yī)療器械等。

Cortex-SC系列（SC：SecurCore）

其實(shí)，除了上述三大系列之外，還有一個(gè)主打安全的Cortex-SC系列（SC：SecurCore），主要用于政府安全芯片。

ARM11系列包括了ARM11MPCore處理器、ARM1176處理器、ARM1156處理器、ARM1136處理器，它們是基于ARMv6架構(gòu)。

ARM Cortex-A5處理器、Cortex-A7處理器、Cortex-A8處理器、Cortex-A9處理器、Cortex-A15處理器隸屬于Cortex-A系列，基于ARMv7-A架構(gòu)。

Cortex-A53、Cortex-A57兩款處理器屬于Cortex-A50系列，首次采用64位ARMv8架構(gòu)。

2020年ARM最近發(fā)布了一款全新的CPU架構(gòu)Cortex-A78，是基于ARMv8.2指令集。

什么是SOC？

SoC的全稱叫做：System-on-a-Chip，中文的的意思就是“把系統(tǒng)都做在一個(gè)芯片上”。

SoC上集成了很多手機(jī)上最關(guān)鍵的部件，比如CPU、GPU、內(nèi)存、也就說(shuō)雖然它在主板上的存在是一個(gè)芯片，但是它里邊可是由很多部件封裝組成的。

比如通常我們所說(shuō)的高通801，麒麟950.三星的exynos 4412，A6等等都只是系統(tǒng)部件打包封裝（SoC）后的總稱。然而各家的打包封裝的內(nèi)容則不盡相同，原因也不盡相同。

經(jīng)典的ARM系統(tǒng)級(jí)芯片或所謂的Soc 包含許多組件，其中只有一些直接源自ARM。首先，核心本身通常深度嵌入在設(shè)備內(nèi)部，在設(shè)備范疇內(nèi)通常不直接可見(jiàn)，而調(diào)試端口通常是唯一和核心本身相連的外露部分，有一些粘合邏輯，如時(shí)鐘和復(fù)位集成電路。

由于 ARM 核心只有兩個(gè)中斷輸入，最常見(jiàn)的外設(shè)就是某種中斷控制器，在外設(shè)內(nèi)部，各組件通過(guò)芯片上互聯(lián)總線架構(gòu)相互連接，對(duì)于極大多數(shù)基于ARM的設(shè)備而言，這就是標(biāo)準(zhǔn)的 AMBA 互聯(lián)。

AMBA 指定了兩個(gè)總線，稱為AXI的高性能系統(tǒng)總線，和稱為APB的低功耗外設(shè)總線，APB通常用于連接所有外設(shè)，AXI則用于存儲(chǔ)器和其他發(fā)高速設(shè)備，大多數(shù)設(shè)備都有一定數(shù)量的芯片上存儲(chǔ)以及連接外設(shè)存儲(chǔ)器設(shè)備的接口，但是注意，與設(shè)備的外部連接并不是AMBA總線，這僅在設(shè)備內(nèi)部使用，并不外露。

舉例：Exynos 4412 SCP

下面我們以 三星的Exynos（獵戶座） 4412 SCP為例，來(lái)講解這幾個(gè)概念。

1. 三星的Exynos 4412 SCP 是一款基于Cortex-A9的SOC；
2. 如下圖所示，Exynos 4412包含了4個(gè)Cortex-A9的處理器（核）；
3. Cortex-A9是基于ARMv7-A架構(gòu)（指令集）的。

由上圖可知，exynos 4412出了包含4個(gè)Cortex-A9核，還包括大量的外設(shè)控制器：DRAM Controller、SROM Controller、Camera IF、JPEG、GPS/GLONASS、Power Management、USB Host、I2C、UART、SPI等。

和三星相同的其他和arm合作的各大廠商通常會(huì)把它的CPU和各類外圍IP都放到一起，然后自己拿著圖紙去流片，生產(chǎn)出來(lái)的也是一個(gè)正方形，下面有很多引腳，這個(gè)東西不僅包含了CPU，還包含了其他的控制器，這個(gè)東西就叫做SOC（system on chip）。

如下圖所示，就是三星最終生產(chǎn)的Exynos ?4412 ?，當(dāng)然了，光有這個(gè)soc還無(wú)法運(yùn)行安卓，還需要借助外圍大量的外設(shè)才能最終形成一個(gè)完整的系統(tǒng)，但是大部分最復(fù)雜的硬件部分模塊都已經(jīng)集成到了這個(gè)soc中。目前各大廠商所做的事情，就是買(mǎi)來(lái)ARM的授權(quán)，得到ARM處理器的源代碼，而后自己搞一些外圍IP（或者買(mǎi)或者自己設(shè)計(jì)），組成一個(gè)SOC后，去流片。不同的SOC，架構(gòu)不同（就是CPU如何和IP聯(lián)系起來(lái)，有的以總線為核心，有的以DDR為核心）。

海思是擁有自主產(chǎn)權(quán)的SOC架構(gòu)?？墒牵瑹o(wú)論任何廠商，再怎么折騰，都沒(méi)有怎么動(dòng)過(guò)CPU，ARM核心就好好的呆在那里，那就是中央處理器。

ARM授權(quán)

如何來(lái)理解ARM授權(quán)呢？

就比如我們制造汽車，ARM公司相當(dāng)于擁有最先進(jìn)的的'發(fā)動(dòng)機(jī)'設(shè)計(jì)方案，但是他不'生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)'，而是把設(shè)計(jì)方案授權(quán)給各大'汽車廠商'生產(chǎn)，賺來(lái)的錢(qián)繼續(xù)研發(fā)更先進(jìn)的‘發(fā)動(dòng)機(jī)’。

ARM授權(quán)分為ARM架構(gòu)授權(quán)、IP核授權(quán)、使用層級(jí)授權(quán)

一個(gè)公司若想使用ARM的內(nèi)核來(lái)做自己的處理器，比如ST、蘋(píng)果、三星、TI、高通、華為等等，必須向ARM公司購(gòu)買(mǎi)其架構(gòu)下的不同層級(jí)授權(quán)，根據(jù)使用需要購(gòu)買(mǎi)相應(yīng)的層級(jí)授權(quán)。

架構(gòu)的授權(quán)方式有三種：架構(gòu)層級(jí)授權(quán)、內(nèi)核層級(jí)授權(quán)(ip核授權(quán))、使用層級(jí)授權(quán)。

1.架構(gòu)層級(jí)授權(quán)，是指可以對(duì)ARM架構(gòu)進(jìn)行大幅度改造，甚至可以對(duì)ARM指令集進(jìn)行擴(kuò)展或縮減，蘋(píng)果就是一個(gè)很好的例子，在使用ARMv7-A架構(gòu)基礎(chǔ)上，擴(kuò)展出了自己的蘋(píng)果swift架構(gòu)；

2.內(nèi)核層級(jí)授權(quán)，是指可以以一個(gè)內(nèi)核為基礎(chǔ)然后在加上自己的外設(shè)，比如USART、GPIO、SPI、ADC等等，最后形成了自己的MCU，這種公司很多，比如三星、TI;

3.使用層級(jí)授權(quán)，要想使用一款處理器，得到使用層級(jí)的授權(quán)是最基本的，這就意味著你只能拿別人提供的定義好的ip來(lái)嵌入在你的設(shè)計(jì)中，不能更改人家的ip，也不能借助人家的ip創(chuàng)造自己的基于該ip的封裝產(chǎn)品。

因此，如果華為分別拿到架構(gòu)授權(quán)和ip核授權(quán)，那么意味著它可以在ARM指令集基礎(chǔ)上根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建出自己的內(nèi)核架構(gòu)，并可添加各種片內(nèi)外設(shè)比如通信接口、顯示器控制接口、GPIO等等，從而生產(chǎn)出自己的“處理器芯片”。

其實(shí)就像我寫(xiě)了一篇文章，我告訴甲，你可以拿去修改后使用，便是架構(gòu)層級(jí)授權(quán)，我告訴乙，你可以在你的文章中引用我的文章，便是內(nèi)核級(jí)授權(quán)，我告訴丙，你只能對(duì)我的文章進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，不能更改，不能添油加醋，便是使用層級(jí)授權(quán)。

總結(jié)

下面我們總結(jié)下這些概念：

1. ARM公司的名字，叫ARM：Advanced RISC Machines；
2. ARM前身Acorn公司設(shè)計(jì)的第一款微處理器，叫ARM：Acorn RISC Machine；
3. ARM處理器名字：以前叫ARM9、ARM11, 新的命名規(guī)則改以Cortex命名，分別是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M；這三個(gè)字母 A、R、M合到一起又是ARM。
4. ARM指令集，就是ARM架構(gòu)，比如ARMv8，每個(gè)處理器都需要依賴一定的ARM架構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)；
5. SOC：各大廠商買(mǎi)來(lái)ARM的授權(quán)，得到ARM處理器的源代碼，而后自己搞一些外圍設(shè)備的IP（或者買(mǎi)或者自己設(shè)計(jì)），組成一個(gè)SOC，比如三星的Exynos 4412，華為的麒麟990。