ARM 核的基本概念
一、ARM 核的基本概念
ARM(Advanced RISC Machines)核是一種基于精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)架構(gòu)的微處理器內(nèi)核。它由英國 ARM Holdings 公司(現(xiàn)被軟銀收購)設(shè)計(jì)開發(fā),其特點(diǎn)是低功耗、高性能、低成本,廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)架構(gòu)相比,ARM 核采用了簡化的指令集,使得處理器可以更高效地執(zhí)行指令,同時(shí)降低了芯片的設(shè)計(jì)復(fù)雜度和功耗。
ARM 核的設(shè)計(jì)采用了授權(quán)模式,ARM 公司并不直接生產(chǎn)處理器芯片,而是將其處理器內(nèi)核設(shè)計(jì)授權(quán)給其他半導(dǎo)體公司,如高通、三星、蘋果、華為海思等。這些公司可以根據(jù)自己的需求對 ARM 核進(jìn)行定制和優(yōu)化,然后集成到自己的芯片產(chǎn)品中。這種商業(yè)模式使得 ARM 核在全球范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。
二、ARM 核的發(fā)展歷程
ARM 核的發(fā)展可以追溯到 20 世紀(jì) 80 年代。1983 年,英國劍橋大學(xué)的研究員赫爾曼?豪澤(Hermann Hauser)和克里斯?柯爾斯(Chris Curry)成立了 Acorn Computers 公司,旨在開發(fā)低成本、高性能的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。1985 年,Acorn 公司成功開發(fā)出了第一顆 ARM 處理器 ——ARM1。ARM1 采用了 32 位 RISC 架構(gòu),具有 26,000 個晶體管,時(shí)鐘頻率為 8MHz,性能相當(dāng)于當(dāng)時(shí)的 Intel 80286 處理器,但功耗卻低得多。
1990 年,Acorn 公司將其 ARM 處理器業(yè)務(wù)獨(dú)立出來,成立了 Advanced RISC Machines 有限公司(簡稱 ARM)。此后,ARM 公司不斷推出新的處理器內(nèi)核架構(gòu),如 ARM6、ARM7、ARM9、ARM11 等。這些架構(gòu)在性能、功耗和功能上不斷提升,逐漸成為了移動設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)的主流處理器架構(gòu)。
21 世紀(jì)初,隨著智能手機(jī)和平板電腦的興起,ARM 核迎來了爆發(fā)式的發(fā)展。2005 年,ARM 公司推出了 Cortex 系列處理器內(nèi)核,包括 Cortex-A 系列(面向高性能應(yīng)用)、Cortex-R 系列(面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用)和 Cortex-M 系列(面向微控制器應(yīng)用)。Cortex 系列處理器內(nèi)核進(jìn)一步優(yōu)化了性能和功耗,成為了智能手機(jī)、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等領(lǐng)域的首選處理器架構(gòu)。
截至目前,ARM 核已經(jīng)發(fā)展到了 ARMv8、ARMv9 等架構(gòu)版本,支持 64 位計(jì)算、人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù),應(yīng)用范圍也從移動設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)擴(kuò)展到了服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心、汽車電子等領(lǐng)域。
三、ARM 核的架構(gòu)特點(diǎn)
(一)精簡指令集(RISC)架構(gòu)
ARM 核采用精簡指令集架構(gòu),其指令集設(shè)計(jì)簡潔、規(guī)整,大多數(shù)指令都可以在一個時(shí)鐘周期內(nèi)完成。與 CISC 架構(gòu)相比,RISC 架構(gòu)的指令集更加簡單,不需要復(fù)雜的指令譯碼和執(zhí)行機(jī)制,從而提高了處理器的執(zhí)行效率和時(shí)鐘頻率。同時(shí),精簡指令集也使得處理器的設(shè)計(jì)更加簡單,降低了芯片的制造成本和功耗。
(二)加載 / 存儲架構(gòu)
ARM 核采用加載 / 存儲架構(gòu),即只有加載(Load)和存儲(Store)指令可以訪問內(nèi)存,其他指令只能在寄存器之間進(jìn)行操作。這種架構(gòu)設(shè)計(jì)減少了內(nèi)存訪問的次數(shù),提高了處理器的執(zhí)行效率。同時(shí),加載 / 存儲架構(gòu)也使得處理器的流水線設(shè)計(jì)更加簡單,進(jìn)一步提高了處理器的性能。
(三)多級流水線設(shè)計(jì)
ARM 核采用多級流水線設(shè)計(jì),將指令的執(zhí)行過程分為多個階段,如指令 fetch、指令 decode、指令執(zhí)行、內(nèi)存訪問和結(jié)果寫回等。通過流水線技術(shù),處理器可以在同一時(shí)間內(nèi)并行處理多條指令,提高了處理器的指令吞吐量和性能。不同型號的 ARM 核可能采用不同級數(shù)的流水線設(shè)計(jì),如 ARM7 采用 3 級流水線,ARM9 采用 5 級流水線,而現(xiàn)代的 ARM 核則可能采用 10 級以上的流水線設(shè)計(jì)。
(四)寄存器組設(shè)計(jì)
ARM 核擁有豐富的寄存器組,一般包含 16-37 個通用寄存器,其中包括程序計(jì)數(shù)器(PC)、狀態(tài)寄存器(CPSR)等。這些寄存器可以快速存儲和訪問數(shù)據(jù),減少了內(nèi)存訪問的次數(shù),提高了處理器的執(zhí)行效率。同時(shí),ARM 核還支持寄存器窗口機(jī)制,使得不同的程序模塊可以使用不同的寄存器組,提高了程序的執(zhí)行效率和可靠性。
(五)低功耗設(shè)計(jì)
低功耗是 ARM 核的一個重要特點(diǎn),這使得 ARM 核非常適合應(yīng)用于移動設(shè)備和便攜式設(shè)備。ARM 核采用了多種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),如動態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)、時(shí)鐘門控(Clock Gating)、電源門控(Power Gating)等。通過這些技術(shù),ARM 核可以根據(jù)處理器的負(fù)載情況動態(tài)調(diào)整電壓和頻率,關(guān)閉不必要的電路模塊,從而降低處理器的功耗。