基本介紹
- 外文名：Advanced RISC Machines
- 簡稱：ARM
- 類別：RISC微處理器
- 開發單位：Acorn計算機有限公司
- 特點1：耗電少，功能強
- 特點2：16位/32位雙指令集
- 特點3：合作夥伴眾多
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定義
ARM的Jazelle技術使Java加速得到比基於軟體的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:)
特點介紹
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、大量使用暫存器，指令執行速度更快；
4、大多數數據操作都在暫存器中完成；
5、定址方式靈活簡單，執行效率高；
6、指令長度固定。
體系結構
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，占整個程式代碼的80%。而餘下的指令卻不經常使用，在程式設計中只占20%。
2 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）
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、基本定址方式有2～3種。
2 使用單周期指令，便於流水線操作執行。
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晶片的面積，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 可用載入/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。
暫存器結構
ARM處理器共有37個暫存器，被分為若干個組（BANK），這些暫存器包括：
指令結構
體系結構擴充
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套用的算術運算指令集；
·Jazeller 允許直接執行Java位元組碼。
ARM處理器系列提供的解決方案有：
·無線、消費類電子和圖像套用的開放平台；
·智慧卡和SIM卡的安全套用。
主要模式
處理器工作模式說明
用戶模式(usr) ARM處理器正常的程式執行狀態
系統模式(sys) 運行具有特權的作業系統任務
快中斷模式(fiq) 支持高速數據傳輸或通道處理
中斷模式(irq) 用於通用的中斷處理
未定義指令終止模式(und) 支持硬體協處理器的軟體仿真
歷史發展
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位晶片，但是發現這種晶片太慢也太貴。"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晶片的設計資料，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晶片的典型設備，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。
2023年5月29日，Arm宣布更新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。
2023年8月19日，英國《金融時報》訊息，晶片設計公司Arm提振IPO市場，雜貨配送集團Instacart、軟體公司Databricks和身份驗證創企Socure等一批矽谷科技公司正重新考慮上市計畫。
在中國
ARM公司中國總部設立在上海，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。
市場前景
微軟公司（2011年）宣布，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，標識著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%；在伺服器市場，2011年就會有2.5GHz的伺服器上市；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套用於攜帶型通信產品、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。
展望未來，即使Intel成功地實施了Atom戰略，將x86晶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布：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伺服器領域開始。AMD、ARM在伺服器領域的合作已經得到了戴爾、惠普兩大伺服器廠商，以及伺服器系統廠商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？
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伺服器進行最佳化，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。
系列產品
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套用領域的需求。SecurCore系列專門為安全要求較高的套用而設計。
ARM核心
家族 | 架構 | 核心 | 特色 | 高速快取 (I/D)/MMU | 常規 MIPS於 MHz | 套用 |
ARM1 | ARMv1 | ARM1 | 無 | |||
ARM2 | ARMv2 | ARM2 | Architecture 2 加入了MUL（乘法）指令 | 無 | 4 MIPS @ 8MHz | Acorn Archimedes，Chessmachine |
ARMv2a | ARM250 | Integrated （完整的）MEMC (MMU)，圖像與IO處理器。Architecture 2a 加入了SWP和SWPB（置換）指令。 | 無，MEMC1a | 7 MIPS@ 12MHz | Acorn Archimedes | |
ARM3 | ARMv2a | ARM2a | 首次在ARM架構上使用處理器高速快取 | 均為4K | 12 MIPS @ 25MHz | Acorn Archimedes |
ARM6 | ARMv3 | ARM610 | v3 架構首創支援定址32位的記憶體（針對26位） | 均為4K | 28 MIPS @ 33MHz | Acorn Risc PC 600，Apple Newton |
ARM7TDMI | ARMv4T | ARM7TDMI(-S) | 三級流水線 | 無 | 15 MIPS @ 16.8 MHz | Game Boy Advance，Nintendo DS，iPod |
ARM710T | 均為8KB, MMU | 36 MIPS @ 40 MHz | Acorn Risc PC 700，Psion 5 series，Apple eMate 300 | |||
ARM720T | 均為8KB, MMU | 60 MIPS @ 59.8 MHz | Zipit | |||
ARM740T | MPU | |||||
ARMv5TEJ | ARM7EJ-S | Jazelle DBX | 無 | |||
ARM9TDMI | ARMv4T | ARM9TDMI | 五級流水線 | 無 | ||
ARM920T | 16KB/16KB, MMU | 200 MIPS @ 180 MHz | ||||
ARM922T | 8KB/8KB, MMU | |||||
ARM940T | 4KB/4KB, MPU | GP2X（第二顆核心） | ||||
ARM9E | ARMv5TE | ARM946E-S | 可變動，tightly coupled memories, MPU | |||
ARM966E-S | 無高速快取，TCMs | ST Micro STR91xF，包含Ethernet [2] | ||||
ARM968E-S | 無高速快取，TCMs | |||||
ARMv5TEJ | ARM926EJ-S | Jazelle DBX | 可變動，TCMs, MMU | 220 MIPS @ 200 MHz | 行動電話：Sony Ericsson（K, W系列）,Siemens和 Benq（x65 系列和新版的） | |
ARMv5TE | ARM996HS | 無振盪器處理器 | 無高速快取，TCMs, MPU | |||
ARM10E | ARMv5TE | ARM1020E | (VFP)，六級流水線 | 32KB/32KB, MMU | ||
ARM1022E | (VFP) | 16KB/16KB, MMU | ||||
ARMv5TE | ARM1026EJ-S | Jazelle DBX | 可變動，MMU or MPU | |||
ARMv5TE | 80200/IOP310/IOP315 | I/O處理器 | ||||
80219 | 400/600MHz | ThecusN2100 | ||||
IOP321 | 600 BogoMips600 MHz | Iyonix | ||||
IOP33x | ||||||
IOP34x | 1-2核，RAID加速器 | 32K/32K L1, 512K L2, MMU | ||||
PXA210/PXA250 | 套用處理器，七級流水線 | ZaurusSL-5600 | ||||
PXA255 | 32KB/32KB, MMU | 400 BogoMips@400 MHz | Gumstix，Palm TungstenE2 | |||
PXA26x | 可達 400 MHz | |||||
PXA27x | 800 MIPS 624 MHz | HTCUniversal, ZaurusSL-C1000,3000,3100,3200, Dell Aximx30, x50，和 x51 系列 | ||||
PXA800(E)F | ||||||
Monahans | 1000 MIPS 1.25 GHz | |||||
PXA900 | Blackberry 8700, Blackberry Pearl (8100) | |||||
IXC1100 | Control Plane Processor | |||||
IXP2400/IXP2800 | ||||||
IXP2850 | ||||||
IXP2325/IXP2350 | ||||||
IXP42x | NSLU2 | |||||
IXP460/IXP465 | ||||||
ARM11 | ARMv6 | ARM1136J(F)-S | SIMD, Jazelle DBX, (VFP)，八級流水線 | 可變動，MMU | 從 350 MHz 到1 GHz | |
ARMv6T2 | ARM1156T2(F)-S | SIMD, Thumb-2, (VFP)，九級流水線 | 可變動，MPU | |||
ARMv6KZ | ARM1176JZ(F)-S | SIMD, Jazelle DBX, (VFP) | 可變動，MMU+TrustZone | |||
ARMv6K | ARM11 MPCore | 1-4核對稱多處理器，SIMD, Jazelle DBX, (VFP) | 可變動，MMU | |||
Cortex | ARMv7-A | Cortex-A8 | Application profile, VFP, NEON, Jazelle RCT, Thumb-2, 13-stage pipeline | 可變動 (L1+L2), MMU+TrustZone | up to 2000（2.0 DMIPS/MHz 從600 MHz到超過1 GHz的速度） | Texas Instruments OMAP3 |
ARMv7-R | Cortex-R4(F) | Embedded profile, (FPU) | 可變動高速快取，MMU可選配 | 600 DMIPS | Broadcomis a user | |
ARMv7-M | Cortex-M3 | Microcontroller profile | 無高速快取，(MPU) | 120 DMIPS @ 100MHz | Luminary Micro[3]微控制器家族 |
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的合作夥伴能夠針對智慧型手機、高性能伺服器等各類不同市場需求開發系統級晶片（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，為驗證軟體提高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套用具有AMBA系統一致性，與CCI-400、CCN-504等ARMCoreLink快取一致性結構組件達成多核心快取一致性。
ARMCortex-A57處理器:
ARMCortex-A53處理器:
史上效率最高的ARM套用處理器，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）套用可將每毫瓦及每平方毫米性能發揮到極致針對個別執行緒計算應用程式進行了傳輸處理最佳化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。
設計檔案
讀取/儲存 架構不支援地址不對齊記憶體存取（ARMv6核心現已支援）正交指令集（任意存取指令可以任意的定址方式存取數據Orthogonal instruction set）大量的16 × 32-bit 暫存器陣列（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周期執行。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定址計算而不會損失效能強大的索引定址模式（addressing mode）精簡但快速的雙優先權中斷子系統，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
這大大的減低了在記憶體存取指令時用到的編碼位，換句話說，它避免在對小型敘述如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程式語言中，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。
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，而不需經常使用記憶體存取，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，與更複雜的CPU設計相比它仍能執行得不錯。
另外一些注意事項是 ARM 處理器會隨著時間，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，可透過軟體下 MCR、MRC、MRRC和MCRR 等指令來對協處理器定址。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，像是使用高速快取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，周邊裝置連線處理器的方式，通常透過將裝置的實體暫存器對應到 ARM 的記憶體空間、協處理器空間，或是連線到另外依序接上處理器的裝置（如匯流排）。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（透過記憶體和協處理器）。
Thumb
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（註：意指程式碼在記憶體中占的空間），即使有些運算需要更多的指令。特別在記憶體埠或匯流排寬度限制在32 以下的情形時，更短的Thumb opcode能更有效地使用有限的記憶體頻寬，因而提供比32位程式碼更佳的效能。典型的嵌入式硬體僅具有較小的32-bit datapath定址範圍以及其他更窄的16 bits定址（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匯流排寬度的記憶體中。
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。
Jazelle
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體上加速執行Java bytecode，就如其他執行模式般，當呼叫一些無法支援bytecodes的特殊軟體時，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。它用來讓手機製造商能夠加速執行Java ME的遊戲和套用程式，也因此促使了這項技術不斷地開發。
Thumb-2
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 記憶體下的效能。
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。
Thumb Execution Environment (ThumbEE)
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 能夠輸出更小的編解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記憶體配置。
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、各自的暫存器陣列，以及獨立執行的硬體。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
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層面上來說並不具有相容性。
安全性擴充 (TrustZone)
TrustZone(TM) 技術出現在 ARMv6KZ 以及較晚期的套用核心架構中。它提供了一種低成本的方案，針對系統單晶片（SoC）內加入專屬的安全核心，由硬體建構的存取控制方式支援兩顆虛擬的處理器。這個方式可使得套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。這種核心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核心。記憶體和周邊裝置也可因此得知核心運作的領域為何，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 技術套用是要能在一個缺乏安全性的環境下完整地執行作業系統，並在可信的環境下能有更少的安全性的編碼。
套用選型
1、ARM微處理器核心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核心結構，以適應不同的套用領域，用戶如果希望使用WinCE或標準Linux等作業系統以減少軟體開發時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU（Memory Management Unit）功能的ARM晶片，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支持的作業系統可運行於ARM7TDMI硬體平台之上。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晶片系統主時鐘為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.不同晶片對時鐘的處理不同，有的晶片只需要一個主時鐘頻率，有的晶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。
