ARM、ARM架构、ARM架构芯片

ARM是一种基于精简指令集（RISC）的处理器架构，它由英国的ARM公司设计和授权。

ARM芯片具有低功耗、高性能、高集成度等特点，广泛应用于嵌入式系统、移动设备、物联网、服务器等领域。本文将介绍ARM的各类芯片，包括其特点、分类、代表产品和最新动态。

一、常见处理器架构

处理器架构指的是处理器的内部结构和功能，也就是处理器如何执行指令和数据的方式。不同的处理器架构有不同的指令集，也就是处理器能够理解和执行的基本操作。处理器架构对于处理器的性能、功耗、兼容性等方面有重要的影响。

常见的架构有x86、ARM、RISC-V和MIPS。

• X86：这是英特尔和AMD的“专属”架构，主要用于PC、服务器和云计算领域，拥有高性能、高速度和高兼容性的优势。在PC市场上，X86架构几乎独霸多年，占据了超过90%的份额。在服务器市场上，X86架构也占据了约80%的份额，但近年来受到ARM和RISC-V等架构的挑战。
• ARM：这是一种低功耗、低成本的架构，主要用于移动设备、物联网、嵌入式系统和边缘计算领域，拥有节能、灵活和可定制的优势。在移动设备市场上，ARM架构占据了绝对优势，几乎所有的智能手机、平板电脑和智能手表都使用了基于ARM的芯片。在物联网市场上，ARM架构也占据了约70%的份额，成为最受欢迎的架构之一。
• RISC-V：这是一种开源、模块化、可扩展的架构，主要用于人工智能、机器学习、智能穿戴和工业控制等领域，拥有开放、简单和易于移植的优势。RISC-V架构是近年来崛起的新星，受到了许多芯片公司和技术巨头的青睐。在人工智能市场上，RISC-V架构预计将占据约20%的份额，在智能穿戴市场上，RISC-V架构预计将占据约10%的份额。
• MIPS：这是一种简洁、优化、高拓展性的架构，主要用于网络设备、机顶盒、数字电视和游戏机等领域，拥有高效、稳定和兼容性强的优势。MIPS架构是一种历史悠久的架构，曾经在网络设备市场上占据了较高的份额，但近年来受到了ARM和RISC-V等架构的冲击。在网络设备市场上，MIPS架构预计将占据约10%的份额，在机顶盒市场上，MIPS架构预计将占据约5%的份额。

架构	指令集类型	优势	劣势	应用领域	代表芯片
x86	CISC（复杂指令集）	计算性能强，兼容性好，生态成熟	功耗高，指令集封闭，授权限制	PC和服务器	Intel Core i9, AMD Ryzen 9
ARM	RISC（精简指令集）	功耗低，架构灵活，授权模式多样	计算性能弱，授权费用高，受美国制裁影响	移动设备和嵌入式系统	Apple M1, Qualcomm Snapdragon 888
RISC-V	RISC（精简指令集）	开源免费，架构模块化，自主研发空间大	生态不完善，技术不成熟，缺乏商业支持	物联网和边缘计算	SiFive Freedom U740, Alibaba XuanTie C910
MIPS	RISC（精简指令集）	简洁，优化方便，高拓展性	市场份额小，竞争力不足，生态落后	网关、机顶盒等市场上非常受欢迎	龙芯3A5000, Loongson 3A4000

除了上述常见的架构，还有一些其他的架构，比如国产的csky，它是由杭州中天微系统有限公司开发的，主要用于嵌入式系统和物联网领域，它也是RISC-V的一个分支，支持RISC-V的基本指令集和扩展指令集。我用过使用这种架构的芯片：w800。

二、ARM 芯片的特点

ARM芯片的主要特点有以下几点：

• 精简指令集：ARM芯片使用精简指令集，即每条指令只完成一项简单的操作，从而提高指令的执行效率和处理器的性能。相比之下，复杂指令集（CISC）的指令可以完成多项复杂的操作，但是需要更多的硬件资源和执行时间。
• 负载/存储架构：ARM芯片使用负载/存储架构，即只有专门的负载和存储指令可以访问内存，其他指令只能在寄存器之间进行操作。这样可以减少内存访问的次数和延迟，提高数据处理的速度。相比之下，寄存器/内存架构的处理器可以直接在内存和寄存器之间进行操作，但是会增加内存访问的开销。
• 统一寄存器文件：ARM芯片使用统一寄存器文件，即所有的通用寄存器都可以用于任何目的，没有专门的数据寄存器或地址寄存器。这样可以提高寄存器的利用率和灵活性，减少数据移动的开销。相比之下，分段寄存器文件的处理器需要区分不同类型的寄存器，并进行相应的转换。
• 条件执行：ARM芯片支持条件执行，即每条指令都可以根据一个条件码来决定是否执行。这样可以减少分支指令的使用，提高代码密度和流水线效率。相比之下，非条件执行的处理器需要使用专门的分支指令来实现条件跳转。
• 多种工作模式：ARM芯片支持多种工作模式，例如用户模式、系统模式、管理模式、中断模式、异常模式等。不同的工作模式有不同的权限和功能，可以实现不同级别的任务切换和异常处理。相比之下，单一工作模式的处理器需要使用软件来模拟多任务和异常处理。

三、ARM芯片的分类

ARM芯片可以根据其架构版本、核心类型、应用领域等方面进行分类。以下是常见的分类方法：

3.1 按架构版本分类

ARM架构从最早的ARMv1到最新的ARMv9，经历了多次升级和改进，增加了许多新的特性和功能。不同版本的ARM架构有不同的指令集、寄存器、异常模型等。例如，ARMv7引入了Thumb-2指令集和NEON向量扩展，ARMv8引入了64位支持和AES加密扩展，ARMv9引入了可信执行环境和标量扩展等。

版本	发布年份	指令集类型	主要特点	代表芯片
ARMv1	1985	32位RISC	支持26位地址空间，可寻址64MB内存，有16个32位寄存器，支持条件执行和异常处理	ARM1
ARMv2	1987	32位RISC	增加了乘法指令和协处理器接口，支持浮点运算和内存管理单元（MMU）	ARM2
ARMv3	1989	32位RISC	扩展了地址空间到32位，可寻址4GB内存，增加了Thumb指令集，提高了代码密度和性能	ARM6
ARMv4	1993	32位RISC	增加了ARM/Thumb交叉切换模式，支持大端和小端模式，增加了DSP扩展指令和快速乘累加指令（MLA）	ARM7TDMI
ARMv5	1997	32位RISC	增加了增强型DSP扩展指令（E）和Java字节码加速指令（J），支持信号处理和嵌入式Java应用，增加了状态转移模型（T2）和信任区域扩展（TE）	ARM9E
ARMv6	2002	32位RISC	增加了SIMD媒体扩展指令（M），支持多媒体和图形处理，增加了无需MMU的硬件分页机制（P），支持大型物理地址扩展（LPAE），增加了向量浮点运算单元（VFP）	ARM11
ARMv7	2005	32位RISC	增加了高级SIMD扩展指令（NEON），支持高性能的多媒体和科学计算，增加了安全扩展（S），支持可信执行环境（TEE），增加了超标量双发射架构（Cortex-A8）和多核架构（Cortex-A9）	Cortex-A8/A9/A15/A17
ARMv8	2011	64位RISC	增加了64位数据处理和寻址能力，支持128位浮点数和SIMD运算，增加了一致性内存模型（RCU），支持虚拟化扩展（V），增加了可选的循环冗余校验指令（CRC）和原子操作指令（A）	Cortex-A53/A57/A72/A73/A75/A76
ARMv9	2021	64位RISC	增加了安全性能提升方案（SPS），支持动态实时防护内存区域，增加了实时计算框架（RCF），支持低延迟、高吞吐量的实时应用，增加了标量浮点扩展指令（SVE/SVE2），支持高性能的AI和HPC计算，增加了虚拟化主机扩展（VHE）和嵌套虚拟化扩展（NV）	骁龙8 Gen 1, 天玑9000

3.2 按核心类型分类

ARM核心是指实现了某个版本ARM架构的具体处理器设计，它由ARM公司设计并授权给其他厂商生产。不同类型的ARM核心有不同的性能、功耗、面积等。例如，Cortex-A系列是针对高性能应用的核心，Cortex-R系列是针对实时应用的核心，Cortex-M系列是针对微控制器应用的核心等。

系列	应用领域	特点	代表芯片
Cortex-A	高性能应用处理器，如智能手机、平板电脑、服务器等	支持32位或64位指令集，支持虚拟化和安全扩展，支持多核和大规模集成，支持高级SIMD和浮点运算，支持动态频率和电压调节	Cortex-A5/A7/A8/A9/A12/A15/A17/A32/A35/A53/A55/ A57/A65/A72/A73/A75/A76/A77/A78/A510
Cortex-R	实时处理器，如硬盘控制器、汽车传动系统、无线通信基带等	支持32位指令集，支持安全扩展，支持双核和锁步模式，支持错误校正码（ECC）和物理地址扩展（LPAE），支持高效的中断处理和内存保护	Cortex-R4/R5/R7/R8/R52
Cortex-M	微控制器处理器，如传感器、可穿戴设备、物联网设备等	支持16位或32位指令集，支持低功耗模式，支持嵌套向量中断控制器（NVIC），支持可选的浮点运算单元（FPU）和数字信号处理（DSP）扩展，支持可信执行环境（TEE）和物理不可克隆函数（PUF）等	Cortex-M0/M0+/M1/M3/M4/ M7/M23/M33/M35P/M55

3.3 按应用领域分类

ARM芯片可以根据其应用领域的不同，分为不同的系列和产品。

例如，STM32系列是基于Cortex-M核心的微控制器芯片，适用于各种嵌入式系统；Snapdragon系列是基于Cortex-A核心的应用处理器芯片，适用于各种移动设备；ThunderX系列是基于Cortex-A核心的服务器处理器芯片，适用于各种云计算和大数据场景等。

四、ARM芯片的代表产品

ARM芯片有许多代表产品，以下是一些常见的例子：

• STM32F103：这是一款基于Cortex-M3核心的微控制器芯片，它具有72MHz的主频、64KB~512KB的闪存、20KB的SRAM、多种通信接口和外设等。它适用于各种工业控制、消费电子、物联网等领域。

• Raspberry Pi 4：这是一款基于Cortex-A72核心的单板计算机，它具有1.5GHz的主频、2GB~8GB的内存、双频Wi-Fi、蓝牙5.0、千兆网口、两个HDMI接口等。它适用于各种教育、创客、媒体中心等场景。
  

• Apple M1：这是一款基于自定义ARMv8.4架构的应用处理器芯片，它具有8个CPU核心（4个高性能核心和4个高效能核心）、8个或16个GPU核心、16个神经网络加速器核心、8GB或16GB的内存、高速缓存和安全模块等。它适用于苹果公司的IPad、MacBook Air、MacBook Pro、Mac mini和iMac等产品。
  

• Ampere Altra：这是一款基于Neoverse N1架构的服务器处理器芯片，它具有80个CPU核心（每个核心都可以运行在3GHz）、64MB的L3缓存、128个PCIe 4.0通道、8个内存通道（支持DDR4-3200）等。它适用于各种云计算、边缘计算、高性能计算等场景。
  

五、ARM芯片的最新动态

ARM芯片在不断地发展和创新：

• 2021年3月，ARM公司发布了ARMv9架构，这是ARM架构十年来的第一次重大升级。ARMv9架构增加了许多新的特性和功能，例如可信执行环境（TEE）、标量扩展（SVE）、实时扩展（RTE）、内存标签扩展（MTE）等。ARMv9架构旨在提高安全性、性能和人工智能能力，满足未来十年的需求。
  

• 2021年4月，英伟达公司宣布推出Grace CPU，这是一款基于Arm Neoverse V2架构的服务器处理器芯片，它具有高达300个CPU核心、512GB的LPDDR5x内存、900GB/s的NVLink-C2C带宽、600GB/s的PCIe 5.0带宽等。它适用于各种大规模的AI和HPC应用，例如自然语言处理、推荐系统、超级计算等。
  

• 2021年6月，三星电子公司发布了Exynos 2100，这是一款基于Cortex-X1核心的应用处理器芯片，它具有8个CPU核心（1个Cortex-X1、3个Cortex-A78和4个Cortex-A55）、14个GPU核心（Mali-G78）、3个NPU核心（神经网络处理器）、16GB的LPDDR5内存、6.7GB/s的UFS 3.1存储等。它适用于各种高端的智能手机和平板电脑等产品。
  

• 2021年7月，华为公司发布了鲲鹏920，这是一款基于自主研发的鲲鹏架构的服务器处理器芯片，它具有64个CPU核心（每个核心都可以运行在2.6GHz）、8个内存通道（支持DDR4-2933）、40个PCIe 4.0通道、100Gb RoCEv2网络接口等。它适用于各种云计算、边缘计算、大数据分析等场景。
  

• 2023年1月，高通公司发布了Nuvia CPU，这是一款基于Armv9架构的应用处理器芯片，它具有16个CPU核心（每个核心都可以运行在3.5GHz）、32MB的L3缓存、256GB的LPDDR5x内存、1200GB/s的NVLink-C2C带宽、800GB/s的PCIe 5.0带宽等。它适用于各种高性能的移动设备和笔记本电脑等产品。
  

六、Sample

6.1 Apple

6.1 A 系列

芯片	发布年份	设备	CPU 架构	CPU 核心数	GPU 核心数	工艺制程
A4	2010	iPad (第一代)、iPhone 4、iPod touch (第四代)、Apple TV (第二代)	ARM Cortex-A8	1	1	45 nm
A5	2011	iPad 2、iPhone 4S、iPod touch (第五代)、iPad Mini (第一代)、Apple TV (第三代)	ARM Cortex-A9	2	2	45 nm / 32 nm
A5X	2012	iPad (第三代)	ARM Cortex-A9	2	4	45 nm
A6	2012	iPhone 5、iPhone 5C	Apple Swift (ARMv7s)	2	3	32 nm
A6X	2012	iPad (第四代)	Apple Swift (ARMv7s)	2	4	32 nm
A7	2013	iPhone 5S、iPad Air (第一代)、iPad Mini 2、iPad Mini 3	Apple Cyclone (ARMv8-A)	2	4 / 6 / 8 /10 /12 /16 /20 /24 /28 /32 /36 /40 /44 /48 /52 /56 /60 /64 /68 /72 /76 /80 /84 /88 /92 /96 /100 /104 /108 /112 /116 /120 /124 /128 nm
A8	2014	iPhone 6、iPhone 6 Plus、iPod touch (第六代)、iPad Mini 4、Apple TV HD、HomePod	Apple Typhoon (ARMv8-A)	2	4/6/8/10/12/16/20/24/28/32/36/40/44/48/52/56/60/64 nm
A8X	2014	iPad Air 2	Apple Typhoon (ARMv8-A)	3	8	20 nm
A9	2015	iPhone 6S、iPhone 6S Plus、iPhone SE (第一代)、iPad (第五代)	Apple Twister (ARMv8-A)	2	6	14 nm
A9X	2015	iPad Pro (12.9-inch) (第一代)、iPad Pro (9.7-inch)	Apple Twister (ARMv8-A)	2	12	16 nm
A10 Fusion	2016	iPhone 7、iPhone 7 Plus、iPad (第六代)、iPad (第七代)、iPod touch (第七代)	Apple Hurricane + Zephyr (ARMv8-A)	4（2+2）	6	16 nm
A10X Fusion	2017	iPad Pro (10.5-inch)、iPad Pro (12.9-inch) (第二代)、Apple TV 4K	Apple Hurricane + Zephyr (ARMv8-A)	6（3+3）	12	10 nm
A11 Bionic	2017	iPhone 8、iPhone 8 Plus、iPhone X	Apple Monsoon + Mistral (ARMv8-A)	6（2+4）	3	10 nm
A12 Bionic	2018	iPhone XS、iPhone XS Max、iPhone XR、iPad Air (第三代)、iPad Mini (第五代)、iPad (第八代)	Apple Vortex + Tempest (ARMv8-A)	6（2+4）	4	7 nm
A12X Bionic	2018	iPad Pro (11-inch) (第一代)、iPad Pro (12.9-inch) (第三代)	Apple Vortex + Tempest (ARMv8-A)	8（4+4）	7	7 nm
A12Z Bionic	2020	iPad Pro (11-inch) (第二代)、iPad Pro (12.9-inch) (第四代)	Apple Vortex + Tempest (ARMv8-A)	8（4+4）	8	7 nm
A13 Bionic	2019	iPhone 11、iPhone 11 Pro、iPhone 11 Pro Max、iPhone SE (第二代)	Apple Lightning + Thunder (ARMv8-A)	6（2+4）	4	7 nm
A14 Bionic	2020	iPad Air (第四代)、iPhone 12、iPhone 12 mini、iPhone 12 Pro、iPhone 12 Pro Max	Apple Firestorm + Icestorm (ARMv8-A)	6（2+4）	4	5 nm
A15 Bionic	2021	iPad mini (第六代)、iPhone 13、iPhone 13 mini、iPhone 13 Pro、iPhone 13 Pro Max	Apple Firestorm + Icestorm (ARMv8-A)	6（2+4） / 5（2+3） / 4（2+2） / 3（1+2） / 2（1+1） / 1（1+0） / 0（0+0）	5 / 4 / 3 / 2 / 1 / 0	5 nm
A16 Bionic	2022	iphone 14	Everest + Sawtooth (ARMv8-A)	6（2+4）	5	4nm³

6.2 M 系列

M系列芯片具有高性能、低功耗、高集成度等特点，是苹果公司从英特尔x86架构的处理器芯片转向ARM架构的处理器芯片的重要标志。本文将介绍苹果M系列芯片的各个型号，包括其特点、性能、功能和应用等。

芯片	发布时间	晶体管数	CPU核心数	GPU核心数	NPU核心数	内存容量	内存带宽
M1	2020年11月	160亿	8 (4+4)	7或8	16	最高16GB LPDDR4X	68GB/s
M1 Pro	2021年10月	330亿	最高10 (8+2)	最高16	16	最高32GB LPDDR4X	200GB/s
M1 Max	2021年10月	570亿	最高10 (8+2)	最高32	16	最高64GB LPDDR4X	400GB/s
M1 Ultra	2022年3月	1140亿	最高24 (16+8)	最高64	32	最高128GB LPDDR4X	800GB/s
M2	2022年7月	180亿	8 (4+4)	10或12	24	最高24GB LPDDR5	100GB/s
M2 Pro	2022年11月	360亿	最高10 (8+2)	最高20	24	最高48GB LPDDR5	300GB/s
M2 Max	2023年1月	620亿	最高10 (8+2)	最高40	24	最高96GB LPDDR5	600GB/s
M2 Ultra	2023年6月	1340亿	最高20 (16+4)	最高76	32	最高192GB LPDDR5	1200GB/s

6.2 STM 系列

芯片	发布时间	处理器核心	主频	内存	存储	外设
STM32F0	2011年	Cortex-M0	最高48MHz	最高16KB RAM	最高256KB Flash	最高32个GPIO，最高7个定时器，最高2个ADC，最高1个DAC，最高2个I2C，最高2个SPI，最高4个USART，最高1个USB 2.0 FS
STM32F1	2007年	Cortex-M3	最高72MHz	最高96KB RAM	最高1MB Flash	最高80个GPIO，最高15个定时器，最高3个ADC，最高2个DAC，最高2个I2C，最高3个SPI，最高5个USART，最高1个USB 2.0 FS
STM32F2	2010年	Cortex-M3	最高120MHz	最高128KB RAM	最高1MB Flash	最高140个GPIO，最高17个定时器，最高3个ADC，最高2个DAC，最高2个I2C，最高4个SPI，最高6个USART，最高1个USB 2.0 HS/FS
STM32F3	2011年	Cortex-M4 (FPU)	最高72MHz	最高40KB RAM	最高512KB Flash	最高114个GPIO，最高18个定时器，最高4个ADC，最高2个DAC，最高3个I2C，最多6个SPI，最多8个USART/UART，最多1个USB 2.0 FS
STM32F4	2011年	Cortex-M4 (FPU)	最高180MHz	最多256KB RAM	最多2MB Flash	最多168个GPIO, 最多25个定时器, 最多3个ADC, 最多2个DAC, 最多4个I2C, 最多6个SPI, 最多10个USART/UART, 最多1个USB 2.0 HS/FS
STM32F7	2015年	Cortex-M7 (FPU)	最多480MHz	最多512KB RAM	最多2MB Flash	最多176个GPIO, 最多26个定时器, 最多3个ADC, 最多2个DAC, 最多4个I2C, 最多6个SPI, 最多10个USART/UART, 最多1个USB 2.0 HS/FS
STM32H7	2016年	Cortex-M7 (FPU)	或Cortex-M4 (FPU)	或双核（M7+M4）	M7:最多550MHz; M4:最多240MHz; 双核: M7:480MHz; M4:240MHz	M7:128KB或512KB或1MB RAM; M4:128KB或240KB RAM; 双核: M7:128KB或512KB或1MB RAM; M4:128KB或240KB RAM; 共享:128KB或512KB RAM
STM32L0	2015年	Cortex-M0+	最高32MHz	最高20KB RAM	最高192KB Flash	最高51个GPIO，最高16个定时器，最高2个ADC，最高1个DAC，最高2个I2C，最高3个SPI，最高5个USART/UART，最高1个USB 2.0 FS
STM32L1	2011年	Cortex-M3	最高32MHz	最高80KB RAM	最高512KB Flash	最高87个GPIO，最高17个定时器，最高3个ADC，最高2个DAC，最高3个I2C，最高3个SPI，最高5个USART/UART，最高1个USB 2.0 FS
STM32L4	2016年	Cortex-M4 (FPU)	最高120MHz	最高320KB RAM	最高2MB Flash	最高114个GPIO，最高24个定时器，最高3个ADC，最高2个DAC，最高4个I2C，最多6个SPI, 最多8个USART/UART, 最多1个USB 2.0 FS
STM32L5	2019年	Cortex-M33 (FPU)	最高110MHz	最高256KB RAM	最高512KB Flash	最多114 GPIOs, 最多26 timers, 最多3 ADCs, 最多2 DACs, 最多4 I2Cs, 最多6 SPIs, 最多8 USARTs/UARTs, 最多1 USB 2.0 FS

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把 永 远 爱 你 写 进 诗 的 结 尾 ~