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[導(dǎo)讀]ARM核基本概念、發(fā)展歷程、架構(gòu)特點(diǎn)

一、ARM 核的基本概念

ARMAdvanced 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 ——ARM1ARM1 采用了 32 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 ARM6ARM7ARM9、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 ARMv8ARMv9 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。

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