ARM

ARM的Jazelle技術使Java加速得到比基於軟件的Java虛擬機(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。CPU功能上增加DSP指令集提供增強的16位和32位算術運算能力，提高了性能和靈活性。ARM還提供兩個前沿特性來輔助帶深嵌入處理器的高集成SoC器件的調試，它們是嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核(ETMS)系列。

(概述圖片來源:)

ARM處理器的三大特點是：耗電少功能強、16位/32位雙指令集和合作夥伴眾多。

1、體積小、低功耗、低成本、高性能；

2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

3、大量使用寄存器，指令執行速度更快；

4、大多數數據操作都在寄存器中完成；

5、尋址方式靈活簡單，執行效率高；

6、指令長度固定。

1 CISC（Complex　Instruction　Set　Computer，複雜指令集計算機）

在CISC指令集的各種指令中，大約有20%的指令會被反覆使用，佔整個程序代碼的80%。而餘下的指令卻不經常使用，在程序設計中只佔20%。

2 RISC（Reduced　Instruction　Set　Computer，精簡指令集計算機）

RISC結構優先選取使用頻最高的簡單指令，避免複雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等

RISC體系結構應具有如下特點：

1　採用固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基本尋址方式有2～3種。

2　使用單週期指令，便於流水線操作執行。

3　大量使用寄存器，數據處理指令只對寄存器進行操作，只有加載/存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執行效率。

除此以外，ARM體系結構還採用了一些特別的技術，在保證高性能的前提下儘量縮小芯片的面積，並降低功耗：

4　所有的指令都可根據前面的執行結果決定是否被執行，從而提高指令的執行效率。

5　可用加載/存儲指令批量傳輸數據，以提高數據的傳輸效率。

6　可在一條數據處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理。

7　在循環處理中使用地址的自動增減來提高運行效率。

ARM處理器共有37個寄存器，被分為若干個組（BANK），這些寄存器包括：

1　31個通用寄存器，包括程序計數器（PC指針），均為32位的寄存器。

2　6個狀態寄存器，用以標識CPU的工作狀態及程序的運行狀態，均為32位，只使用了其中的一部分。

ARM微處理器的在較新的體系結構中支持兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令為32位的長度，Thumb指令為16位長度。Thumb指令集為ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM代碼相比較，可節省30%～40%以上的存儲空間，同時具備32位代碼的所有優點。

當前ARM體系結構的擴充包括：

·Thumb 16位指令集，為了改善代碼密度；

·DSP DSP應用的算術運算指令集；

·Jazeller 允許直接執行Java字節碼。

ARM處理器系列提供的解決方案有：

·無線、消費類電子和圖像應用的開放平台；

·存儲、自動化、工業和網絡應用的嵌入式實時系統；

·智能卡和SIM卡的安全應用。

處理器工作模式説明

用户模式(usr) ARM處理器正常的程序執行狀態

系統模式(sys) 運行具有特權的操作系統任務

快中斷模式(fiq) 支持高速數據傳輸或通道處理

管理模式(svc) 操作系統保護模式

數據訪問終止模式(abt) 用於虛擬存儲器及存儲器保護

中斷模式(irq) 用於通用的中斷處理

未定義指令終止模式(und) 支持硬件協處理器的軟件仿真

除用户模式外，其餘6種模式稱為非用户模式或特權模式；用户模式和系統模式之外的5種模式稱為異常模式。ARM處理器的運行模式可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常處理改變。

1978年12月5日，物理學家赫爾曼·豪澤（Hermann Hauser）和工程師Chris Curry，在英國劍橋創辦了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要業務是為當地市場供應電子設備。1979年，CPU公司改名為Acorn公司。

起初，Acorn公司打算使用摩托羅拉公司的16位芯片，但是發現這種芯片太慢也太貴。"一台售價500英鎊的機器，不可能使用價格100英鎊的CPU！"他們轉而向Intel公司索要80286芯片的設計資料，但是遭到拒絕，於是被迫自行研發。

1985年，Roger Wilson和Steve Furber設計了他們自己的第一代32位、6M Hz的處理器，用它做出了一台RISC指令集的計算機，簡稱ARM（Acorn RISC Machine）。這就是ARM這個名字的由來。

RISC的全稱是"精簡指令集計算機"（reduced instruction set computer），它支持的指令比較簡單，所以功耗小、價格便宜，特別適合移動設備。早期使用ARM芯片的典型設備，就是蘋果公司的牛頓PDA。

20世紀80年代後期，ARM很快開發成Acorn的台式機產品，形成英國的計算機教育基礎。

1990年11月27日，Acorn公司正式改組為ARM計算機公司。蘋果公司出資150萬英鎊，芯片廠商VLSI出資25萬英鎊，Acorn本身則以150萬英鎊的知識產權和12名工程師入股。公司的辦公地點非常簡陋，就是一個穀倉。20世紀90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)處理器擴展到世界範圍，佔據了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統應用領域的領先地位。ARM公司既不生產芯片也不銷售芯片，它只出售芯片技術授權。

2023年5月29日，Arm宣佈更新2023年年度移動處理器核心設計，包括Cortex-X4、A720和A520，三款核心均基於Arm v9.2架構。 ^[7] 

2023年8月19日，英國《金融時報》消息，芯片設計公司Arm提振IPO市場，雜貨配送集團Instacart、軟件公司Databricks和身份驗證創企Socure等一批硅谷科技公司正重新考慮上市計劃。 ^[8] 

ARM公司中國總部設立在上海 ^[2]  ，執行中國地區所有的產品業務和售後支持。其中在深圳設有辦事處，專門處理ARM相關技術問題。

ARM在中國主要從事ARM IP內核方面的工作，對於 ARM軟件工具，包括DS-5，RVDS，MDK-ARM等則不直接進行銷售，由其中國區代理商米爾科技作為渠道分銷商，負責銷售開發工具和客户服務。

微軟公司（2011年）宣佈，下一版Windows將正式支持ARM處理器。這是計算機工業發展歷史上的一件大事，標識着x86處理器的主導地位發生動搖。在移動設備市場，ARM處理器的市場份額超過90%；在服務器市場，2011年就會有2.5GHz的服務器上市；在桌面電腦市場，又有了微軟的支持。ARM成為主流，恐怕指日可待。難怪有人驚呼，Intel公司將被擊敗！ARM微處理器核技術廣泛應用於便攜式通信產品、手持運算、多媒體和嵌入式解決方案等領域，已成為RISC的標準。

與這場轟轟烈烈的變革相比，它的主角ARM公司卻沒有受到太多的關注，顯得不太起眼。這家遠離硅谷、位於劍橋大學的英國公司，到底是怎麼走到打開市場的，居然能將芯片巨人Intel拉下馬？

展望未來，即使Intel成功地實施了Atom戰略，將x86芯片的功耗和價格大大降低，它與ARM競爭也將非常吃力。因為ARM的商業模式是開放的，任何廠商都可以購買授權，所以未來並不是Intel vs. ARM，而是Intel vs. 世界上所有其他半導體公司。那樣的話，Intel的勝算能有多少呢？

2012年10月29日AMD做出了一個震驚業界的宣佈：AMD將會設計基於64-bit ARM架構的處理器，首先從雲和數據中心服務器領域開始。AMD、ARM在服務器領域的合作已經得到了戴爾、惠普兩大服務器廠商，以及服務器系統廠商RedHat的鼎力支持，新的生態系統已具雛形，AMD能否藉此東山再起？ ^[4] 

AMD的首批ARM處理器於2014年問世，仍將披掛Opteron皓龍品牌。這種64位的多核心SoC會針對數據中心中份額最大的密集型高能效服務器進行優化，提供現代計算體驗，並整合收購而來的SeaMicro Freedom超級計算光纖互聯技術。

ARM7系列　ARM9系列　ARM9E系列　ARM10E系列

SecurCore系列　Intel的StrongARM ARM11系列 Intel的Xscale

其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10為4個通用處理器系列，每一個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的應用而設計。

Axxia 4500通信處理器基於採用28納米工藝的ARM 4核Cortex-A15處理器，並搭載ARM全新CoreLink CCN-504高速緩存一致性互連技術，實現安全低功耗和最佳性能。

ARM公司在經典處理器ARM11以後的產品改用Cortex命名，並分成A、R和M三類，旨在為各種不同的市場提供服務。

ARM內核

新款ARMv8架構ARMCortex-A50處理器系列產品，進一步擴大ARM在高性能與低功耗領域的領先地位。該系列率先推出的是Cortex-A53與Cortex-A57處理器以及最新節能64位處理技術與現有32位處理技術的擴展升級。該處理器系列的可擴展性使ARM的合作伙伴能夠針對智能手機、高性能服務器等各類不同市場需求開發系統級芯片（SoC）。

ARMCortex-A50處理器系列:

提供Cortex-A57與Cortex-A53兩款處理器，可選配密碼編譯加速器，為驗證軟件提高10倍的運行速度與ARMMali圖形處理器系列互用，適用於圖形處理器計算應用具有AMBA系統一致性，與CCI-400、CCN-504等ARMCoreLink緩存一致性結構組件達成多核心緩存一致性。

ARMCortex-A57處理器:

最先進、單線程性能最高的ARM應用處理器能提升，以滿足供智能手機從內容消費設備轉型為內容生產設備的需求，並在相同功耗下實現最高可達現有超級手機三倍的性能計算能力可相當於傳統PC，但僅需移動設備的功耗成本即可運行，無論企業用户或普通消費者均可享受低成本與低耗能針對高性能企業應用提高了產品可靠度與可擴展性。

ARMCortex-A53處理器:

史上效率最高的ARM應用處理器，使用體驗相當於當前的超級手機，但功耗僅需其四分之一結合可靠性特點，可擴展數據平面（dataplane）應用可將每毫瓦及每平方毫米性能發揮到極致針對個別線程計算應用程序進行了傳輸處理優化Cortex-A53處理器結合Cortex-A57及ARM的big.LITTLE處理技術，能使平台擁有最大的性能範圍，同時大幅減少功耗。

設計文件講求精簡又快速的設計方式，整體電路化卻又不採用微碼，就像早期使用在Acorn微電腦的8位6502處理器。

ARM架構包含了下述RISC特性：

讀取/儲存 架構不支援地址不對齊內存存取（ARMv6內核現已支援）正交指令集（任意存取指令可以任意的尋址方式存取數據Orthogonal instruction set）大量的16 × 32-bit 寄存器陣列（register file）固定的32 bits 操作碼（opcode）長度，降低編碼數量所產生的耗費，減輕解碼和流水線化的負擔。大多均為一個CPU週期執行。為了補強這種簡單的設計方式，相較於同時期的處理器如Intel 80286和Motorola 68020，還多加了一些特殊設計：

大部分指令可以條件式地執行，降低在分支時產生的負重，彌補分支預測器（branch predictor）的不足。算數指令只會在要求時更改條件編碼（condition code）32-bit筒型位移器（barrel shifter）可用來執行大部分的算數指令和尋址計算而不會損失效能強大的索引尋址模式（addressing mode）精簡但快速的雙優先級中斷子系統，具有可切換的暫存器組有個附加在ARM設計中好玩的東西，就是使用一個4-bit 條件編碼 在每個指令前頭，表示每支指令的執行是否為有條件式的

這大大的減低了在內存存取指令時用到的編碼位，換句話説，它避免在對小型敍述如if做分支指令。有個標準的範例引用歐幾里德的最大公因子算法：

在C編程語言中，循環為：

int gcd (int i, int j)

{

while (i != j) if (i > j) i -= j; else j -= i; return i;

}

在ARM 彙編語言中，循環為：

loop CMP Ri, Rj ;

設定條件為 "NE"(不等於) if (i != j) ; "GT"(大於) if (i > j), ; or "LT"(小於) if (i < j) SUBGT Ri, Ri, Rj ; 若 "GT"(大於), i = i-j; SUBLT Rj, Rj, Ri ; 若 "LT"(小於), j = j-i; BNE loop ; 若 "NE"(不等於)，則繼續迴圈這避開了then和else子句之間的分支。

另一項指令集的特色是，能將位移（shift）和迴轉（rotate）等功能併成"資料處理"型的指令（算數、邏輯、和暫存器之間的搬移），因此舉例來説，一個C語言的敍述

a += (j << 2);在ARM之下，可簡化成只需一個word和一個cycle即可完成的指令

ADD Ra, Ra, Rj, LSL #2這結果可讓一般的ARM程式變得更加緊密，而不需經常使用內存存取，流水線也可以更有效地使用。即使在ARM以一般認定為慢速的速度下執行，與更復雜的CPU設計相比它仍能執行得不錯。

ARM處理器還有一些在其他RISC的架構所不常見到的特色，例如PC-相對尋址（的確在ARM上PC為16個暫存器的其中一個）以及 前遞加或後遞加的尋址模式。

另外一些注意事項是 ARM 處理器會隨着時間，不斷地增加它的指令集。某些早期的 ARM 處理器（比ARM7TDMI更早），譬如可能並未具備指令可以讀取兩 Bytes 的數量，因此，嚴格來講，對這些處理器產生程式碼時，就不可能處理如 C 語言物件中使用 "volatile short" 的資料型態。

ARM7 和大多數較早的設計具備三階段的流水線化（Pipeline）：提取指令、解碼，並執行。較高效能的設計，如 ARM9，則有五階段的流水線化。提高效能的額外方式，包含一顆較快的加法器，和更廣的分支預測邏輯線路。

這個架構使用“協處理器”提供一種非侵入式的方法來延伸指令集，可透過軟件下 MCR、MRC、MRRC和MCRR 等指令來對協處理器尋址。協處理器空間邏輯上通常分成16個協處理器，編號分別從 0 至 15 ，而第15號協處理器（CP15）是保留用作某些常用的控制功能，像是使用高速緩存和記憶管理單元運算（若包含於處理器時）。

在 ARM 架構的機器中，周邊裝置連接處理器的方式，通常透過將裝置的實體暫存器對應到 ARM 的內存空間、協處理器空間，或是連接到另外依序接上處理器的裝置（如總線）。協處理器的存取延遲較低，所以有些周邊裝置（例如 XScale 中斷控制器）會設計成可透過不同方式存取（透過內存和協處理器）。

較新的ARM處理器有一種16-bit指令模式，叫做Thumb，也許跟每個條件式執行指令均耗用4位的情形有關。在Thumb模式下，較小的opcode有更少的功能性。例如，只有分支可以是條件式的，且許多opcode無法存取所有CPU的暫存器。然而，較短的opcode提供整體更佳的編碼密度（注：意指程式碼在內存中佔的空間），即使有些運算需要更多的指令。特別在內存埠或總線寬度限制在32 以下的情形時，更短的Thumb opcode能更有效地使用有限的內存帶寬，因而提供比32位程式碼更佳的效能。典型的嵌入式硬件僅具有較小的32-bit datapath尋址範圍以及其他更窄的16 bits尋址（例如Game Boy Advance）。在這種情形下，通常可行的方案是編譯成 Thumb 程式碼，並自行最佳化一些使用（非Thumb）32位指令集的CPU相關程式區，因而能將它們置入受限的32-bit總線寬度的內存中。

首顆具備 Thumb 技術的處理器是 ARM7TDMI。所有 ARM9 和後來的家族，包括 XScale 都納入了 Thumb 技術。

ARM 還開發出一項技術，Jazelle DBX (Direct Bytecode eXecution)，允許它們在某些架構的硬件上加速執行Java bytecode，就如其他執行模式般，當呼叫一些無法支援bytecodes的特殊軟件時，能提供某些bytecodes的加速執行。它能在現存的ARM與Thumb模式之間互相執行。

首顆具備Jazelle技術的處理器是ARM926EJ-S：Jazelle以一個英文字母'J'標示於CPU名稱中。它用來讓手機制造商能夠加速執行Java ME的遊戲和應用程式，也因此促使了這項技術不斷地開發。

Thumb-2 技術首見於 ARM1156 核心 ，並於2003年發表。Thumb-2 擴充了受限的 16-bit Thumb 指令集，以額外的 32-bit 指令讓指令集的使用更廣泛。因此 Thumb-2 的預期目標是要達到近乎 Thumb 的編碼密度，但能表現出近乎 ARM 指令集在 32-bit 內存下的效能。

Thumb-2也從 ARM 和 Thumb 指令集中派生出多種指令，包含位欄（bit-field）操作、分支建表（table branches），和條件執行等功能。

ThumbEE，也就是所謂的Thumb-2EE，，業界稱為Jazelle RCT技術，於2005年發表，首見於 Cortex-A8 處理器。ThumbEE 提供從 Thumb-2 而來的一些擴充性，在所處的執行環境（Execution Environment）下，使得指令集能特別適用於執行階段（Runtime）的編碼產生（例如即時編譯）。Thumb-2EE 是專為一些語言如 Limbo、Java、C#、Perl 和 Python，並能讓 即時編譯器 能夠輸出更小的編譯碼卻不會影響到效能。

ThumbEE 所提供的新功能，包括在每次存取指令時自動檢查是否有無效指標，以及一種可以執行陣列範圍檢查的指令，並能夠分支到分類器（handlers），其包含一小部份經常呼叫的編碼，通常用於高階語言功能的實作，例如對一個新物件做內存配置。

進階 SIMD (NEON)

進階 SIMD 延伸集，業界稱為NEON技術，它是一個結合 64 和 128 bit 的 SIMD（Single Instruction Multiple Data 單指令多重數據）指令集，其針對多媒體和訊號處理程式具備標準化加速的能力。NEON 可以在 10 MHz 的 CPU 上執行 MP3 音效解碼，且可以執行 13 MHz 頻率以下的 GSM AMR (Adaptive Multi-Rate) 語音編碼。NEON具有一組廣泛的指令集、各自的寄存器陣列，以及獨立執行的硬件。NEON 支援 8-, 16-, 32- 和 64-bit 的整數及單精度浮點數據，並以SIMD 的方式運算，執行圖形和遊戲處理中關於語音/視訊的部分。SIMD 在 向量超級處理機 中是個決定性的要素，它具備同時多項處理功能。在 NEON 技術中，SIMD 最高可支援到同時 16 個運算。

VFP 是在協同處理器針對ARM架構的衍生技術。它提供低成本的單精度和倍精度浮點運算能力，並完全相容於ANSI/IEEE Std 754-1985 二進制浮點算數標準。VFP 提供大多數適用於浮點運算的應用，例如PDA、智慧手機、語音壓縮與解壓、3D圖像以及數位音效、打印機、機上盒，和汽車應用等。VFP 架構也支援 SIMD（單指令多重數據）平行化的短向量指令執行。這在圖像和訊號處理等應用上，非常有助於降低編碼大小並增加輸出效率。

在ARM-based處理器中，其他可見的浮點、或 SIMD 的協同處理器還包括了 FPA, FPE, iwMMXt。他們提供類似 VFP 的功能但在opcode層面上來説並不具有相容性。

TrustZone(TM) 技術出現在 ARMv6KZ 以及較晚期的應用核心架構中。它提供了一種低成本的方案，針對系統單芯片（SoC）內加入專屬的安全核心，由硬件建構的存取控制方式支援兩顆虛擬的處理器。這個方式可使得應用程式核心能夠在兩個狀態之間切換（通常改稱為領域（worlds）以避免和其他功能領域的名稱混淆），在此架構下可以避免資訊從較可信的核心領域泄漏至較不安全的領域。這種內核領域之間的切換通常是與處理器其他功能完全無關聯性（orthogonal），因此各個領域可以各自獨立運作但卻仍能使用同一顆內核。內存和周邊裝置也可因此得知內核運作的領域為何，並能針對這個方式來提供對裝置的機密和編碼進行存取控制。典型的 TrustZone 技術應用是要能在一個缺乏安全性的環境下完整地執行操作系統，並在可信的環境下能有更少的安全性的編碼。

1、ARM微處理器內核的選擇從前面所介紹的內容可知，ARM微處理器包含一系列的內核結構，以適應不同的應用領域，用户如果希望使用WinCE或標準Linux等操作系統以減少軟件開發時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（Memory Management Unit）功能的ARM芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM都帶有MMU功能。而 ARM7TDMI則沒有MMU，不支持Windows CE和標準Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統可運行於ARM7TDMI硬件平台之上。事實上，uCLinux已經成功移植到多種不帶MMU的微處理器平台上，並在穩定性和其他方面都有上佳表現。

2、系統的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz，常見的ARM7芯片系統主時鐘為20MHz-133MHz，ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統主時鐘頻率為100MHz- 233MHz，ARM10最高可以達到700MHz.不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只需要一個主時鐘頻率，有的芯片內部時鐘控制器可以分別為ARM 核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘。

3、大多數的ARM微處理器片內存儲器的容量都不太大，需要用户在設計系統時外擴存儲器，但也有部分芯片具有相對較大的片內存儲空間，如ATMEL的AT91F40162就具有高達2MB的片內程序存儲空間，用户在設計時可考慮選用這種類型，以簡化系統的設計。

4、片內外圍電路的選擇除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據各自不同的應用領域，擴展了相關功能模塊，並集成在芯片之中，我們稱之為片內外圍電路，如USB接口、IIS接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協處理器等，設計者應分析系統的需求，儘可能採用片內外圍電路完成所需的功能，這樣既可簡化系統的設計，同時提高系統的可靠性

搭載ARM芯片架構的設備數量是英特爾的25倍。全世界99%的智能手機和平板電腦都採用ARM架構。約有43億人每天都會觸摸一台搭載ARM芯片的設備，佔全球總人口的60%。

所有的iPhone和iPad都使用ARM的芯片，多數Kindle電子閲讀器和Android設備也都採用這一架構。與這種廣泛觸角極不相稱的是，ARM的營收可以用少得可憐來形容。雖然全世界幾乎所有的智能手機幾乎都採用了該公司的芯片設計，但平均每賣出一款這樣的手機，該公司只能得到1美分，而英特爾的芯片單位收益卻高達數十至數百美元不等。

ARM網絡陣營成員主要包括博通、Cavium和Freescale。其他合作包括與AMD一道為虛擬化軟件打造ENEA的合作、以及與AppliedMicro在虛擬機頂盒（vSTB）概念驗證方面的合作。 ^[5] 

大部分領先的網絡/電信製造商正積極地將其下一代平台遷移到ARM平台上來，有理由相信在今後的幾年中，ARM在行業中將扮演一個極為重要的角色。 ^[6]