ARM處理器

 

ARM為嵌入式處理器IP供應商，公司前身為Acorn Computer，曾開發RISC處理器，1990年ARM正式成立，開始採用授權的商業模式。採用ARM技術IP內核的處理器，即稱為ARM(Advanced RISC Machines，進階精簡指令集機器)處理器，其產品應用於多嵌入式系統設計，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網路系統、無線系統等各類產品市場。

ARM處理器非常適用於行動通訊領域，因其主要設計目標為低成本、高效能、低耗電的特性。且ARM佔所有32位元嵌入式處理器75%比重。

1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集電腦)的概念，重點放在如何使電腦的結構更加簡單合理地提高運算速度上，RISC結構會優先選取使用頻最高的簡單指令，避免複雜指令，及將指令長度固定。指令格式和尋地方式種類減少，並以控制邏輯為主，不用或少用微程式碼控制等措施來達到目的。

RISC的特色是使用管線 (Pipeline) 的方式增進速度，但是在不屬於指令載入期間，進行記憶體存取會破壞管線的可重疊性，因此RISC處理器通常會禁止運算指令直接存取記憶體，只允許載入儲存指令存取記憶體。

採用RISC架構的ARM微處理器具有如下特點：
－體積小、低功耗、低成本、高性能
－支援Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集，兼容8位/16位元
－大量使用暫存器，資料處理指令只對暫存器進行操作，只有載入/存儲指令可以存取記憶體，以提高指令的執行效率
－大部分數據操作都在暫存器中完成
－尋址方式靈活簡單，執行效率高
－採用固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基本定址方式有2~3種

ARM處理器包括下面幾個系列，以及其它廠商基於ARM體系結構的處理器：
－ ARM7系列
－ ARM9系列
－ ARM9E系列
－ ARM10E系列
－ SecurCore系列
－ Inter的Xscale
－ Inter的StrongARM

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系列則是專門為安全要求較高的應用而設計。

ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器，適合用於對價位和功耗要求較高的消費類應用，具備以下特點：
－具有嵌入式ICE－RT邏輯，除錯開發方便
－極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用，如攜帶型產品
－能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結構
－程式碼密度高並相容16位元的Thumb指令集
－對作業系統的支援廣泛，包括Windows CE、Linux、PalmOS等
－指令系統與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列相容，便於用戶的產品升級換代
－主頻最高可達130MIPS，高速的運算處理能力能應付大多數的複雜應用

ARM7系列微處理器包括下列類型的內核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低階ARM處理器內核。

ARM系列處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，包含ARM920T、ARM922T和ARM940T三種類型。ARM9具有以下特點：
－5級整數管線，指令執行效率更高。
－提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。
－支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集
－支援32位元的高速AMBA匯流排界面
－全性能的MMU，支援Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式作業系統
－MPU支援即時操作系統
－支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力

ARM9E系列微處理器為可整合處理器，使用單一的處理器內核提供了微控制器、DSP、Java應用系統的解決方案，減少了晶片的面積和系統的複雜程度。ARM9E系列微處理器提供DSP處理能力，適合於同時使用DSP和微控制器的應用產品。ARM9E具備特點：
－高性能與低功耗特性方面的最佳硬體單元
－DSP擴充
－EmbeddedICE-RT denug Logic
－1.1 Mips/MHz，5級整數管線
－Tightly Coupled Memory(TCM)
－主要是應用在先進的引擎管理、儀表儀器、安全系統、STB、網路電腦或智慧型手機。
－主頻最高可達300MIPS

ARM10E系列處理器具有高性能、低功耗的特點，採用新的體系結構，與同等的ARM9器件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50％。同時，ARM10E系列處理器採用了兩種先進的節能方式，使其功耗極低。其主要特點如下：
－支援DSP指令集，適合於需要高速數位信號處理
－6級整數管線，指令執行效率更高
－支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集
－支援32位元的高速AMBA匯流排界面
－支援VFP10浮點處理輔助運算器
－全性能的MMU，支援Windows CE、Linux、Palm OS等多種主流嵌入式作業系統。
－支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力
－主頻最高可達400MIPS
－內嵌並行讀/寫操作元件

StrongARM微處理器系列，主要應用於一些對安全性要求較高的應用產品及應用系統，如電子商務、電子政務、電子銀行業務、網路和認證系統等領域。

而Intel StrongARM SA-1100處理器是採用ARM架構高度整合的32位元RISC微處理器，融合Intel設計和處理技術以及ARM架構的電源效率，採用在軟體上相容ARMv4架構、同時採用具有Intel技術優點的架構，Intel StrongARM處理器為攜帶型通訊產品和消費類電子產品之解決方案。

Xscale處理器是基於ARMv5TE架構的解決方案，是一款全性能、高成本效益比、低功耗的處理器，支援16位元的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數位行動電話、PDA和網路產品。Xscale 處理器是Intel主要推廣的一款ARM微處理器。

基於CISC的x86架構處理器，為了電腦產業發展而不斷加入指令集，使得處理器日益龐大，但每個指令集用到的頻率也越差越大，許多指令到後來相當少用，甚至可以被新的指令所取代。而ARM架構則大幅簡化架構，僅保留所需要的指令，可以讓整個處理器更為簡化，擁有小體積、高效能的特性。

ARM的架構可以作到高密度整合，ARM授權的彈性以及核心架構單純，ARM處理器架構很容易與其他專職的特殊核心，像是GPU、多媒體解碼核心、基頻數據機、I/O控制等架構整合，透過SoC(System On a Chip，系統單晶片)的方式，整合成一顆小小的ARM架構應用處理器，完成近年x86架構處理器積極跨足的單晶片設計，各種不同的核心分工各司其職，ARM架構應用處理器的核心負擔相較傳統x86處理器更低，因其早前應用處理器的需求就是以低功耗為重點，如今效能提昇後，仍保有省電的特性。

ARM架構處理器在智慧型手機與平板電腦等行動裝置市佔率達9成以上，包括TI OMAP、Qualcomm Snapdragon、三星的蜂鳥(Hummingbird)、獵戶座(Orion)、Freescale的i.MX、NVIDIA Tegra等應用處理器等。

2012年，微軟推出的Windows 8有支援ARM架構處理器，因此2012年搭載ARM架構處理器的筆電出貨量將達760萬台，佔全球筆電市場佔有率約3％，至2015年，出貨量將增至7,400萬台，大幅成長9倍，在筆電市場的佔有率也大增到23％，並為NVIDIA、Qualcomm、德儀等供應商帶來商機，為NVIDIA及高通晶片代工的台積電、為德儀代工的聯電等，與3大廠處理器FCCSP基板的景碩皆受惠。

2011年10月，ARM 推出了全新的 64 位元架構處理器 ARMv8 ，因此RISC 處理器也邁向64 位元，而 x86 架構的 CISC處理器早已推出64位元的處理器。

ARMv8 處理器最大的特色就是支援定址至64位元，與x86架構一樣，更大的位元定址代表支援更大的運算容量與效能。 ARMv8 架構下包含兩種執行序 (Process) ， AArch64 以及 AArch32 ，其中 AArch32 向下支援32位元的指令集，代表 ARMv8 也兼容其他 32 位元的環境，而 AArch64 則是支援全新的64位元指令集，讓ARMv8可以相容於64位元的環境。

2014 年到2016 年以後，ARM 將其主力放在 ARMv7 架構下的 Cortex A 系列處理器，未來將會轉向Cortex A9 ，而架構也會開始導入 ARM11 的架構。

ARM處理器核心：

指令集架構	處理器家族
ARMv1	ARM1
ARMv2	ARM2、ARM3
ARMv3	ARM6、ARM7
ARMv4	StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI
ARMv5	ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale
ARMv6	ARM11、ARM Cortex-M
ARMv7	ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R
ARMv8	Cortex-A35、Cortex-A50系列[18]、Cortex-A70系列、Cortex-X1
ARMv9	Cortex-A510、Cortex-A710、Cortex-A715、Cortex-X2、Cortex-X3、ARM Neoverse N2

資料來源：ARM