如何理解ARM架构？

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如何理解ARM架构？

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5天前

ARM9之后，ARM推出了ARM11架构，进一步提高了性能和能效，并引入了更先进的特性，如多媒体指令集和更好的多核支持。

本文约9,700字，建议收藏阅读

作者| 北湾南巷

出品| 汽车电子与软件

自1983年由英国剑桥的Acorn计算机公司首次设计以来，ARM (Advanced RISC Machine)架构已成为低功耗、高性能处理器的代表，广泛应用于移动设备、嵌入式系统和物联网等领域。ARM架构以精简指令集（RISC）、高效执行引擎和模块化设计为核心，极大提升了处理器的性能和能效，同时有效降低了功耗。这种架构通过灵活的设计理念，支持多核技术、低功耗优化和虚拟化技术，使芯片能够高效处理并行任务，延长设备续航时间。在芯片设计中，ARM架构的这些特性不仅在传统移动设备中占据优势，还拓展到云计算和数据中心等新兴领域，为高性能和低能耗的应用提供了坚实的基础。

#01

相关理论基础

1.1 ARM架构概述

ARM架构是一种精简指令集计算机（RISC）架构，自其诞生以来，以低功耗、高性能和易于集成的特性，在计算机体系结构中占据了重要地位。ARM架构的发展历程从最初的ARMv1逐步演进至如今的ARMv9，每一代版本的更新都标志着技术的进步和性能的提升，体现了其对市场需求的快速响应。（*ARM9之后，ARM推出了诸如ARM11架构，进一步提高了性能和能效，并引入了更先进的特性，如多媒体指令集和更好的多核支持。）

架构	特性/技术	描述
Armv4	Thumb	Thumb是一种16位的指令集，旨在减少代码大小，提高内存效率。
Armv5	Jazelle	Jazelle技术允许Java字节码直接在CPU上执行，提高了Java应用的性能。继续使用Jazelle技术，支持Java字节码的直接执行。
	VFPv2	Vector Floating Point version 2，提供了改进的浮点运算能力。
Armv6	Thumb-2	Thumb-2是Thumb指令集的扩展，支持32位指令，进一步提高了性能和效率。
	TrustZone	TrustZone技术提供了硬件级别的安全功能，用于保护敏感数据和应用。
	SIMD	单指令多数据（SIMD）指令集，用于提高多媒体和信号处理应用的性能。
Armv7	Adv SIMD	先进的SIMD指令集，进一步增强了多媒体和信号处理能力。
	VFPv3/4	Vector Floating Point version 3/4，提供了更强大的浮点运算能力。
	LPAE	Large Physical Address Extension，支持更大的物理地址空间。
	Virtualization	虚拟化技术支持在同一硬件上运行多个操作系统实例。
Armv8	Improved Virtualization	改进的虚拟化技术，提供了更强的虚拟机管理和隔离能力。
	Vector Extensions	向量扩展，增强了并行处理能力。
	Bfloat	Bfloat（Brain Floating Point）是一种浮点数格式，特别设计用于深度学习和机器学习应用。
	Enhanced Crypto	增强的加密功能，提高了安全性。
	Scalar Floating Point	标量浮点运算的改进。
	Secure EL2	更安全的异常级别2，用于虚拟化和安全操作。
	Pointer Authentication	指针认证是一种安全机制，旨在防止指针劫持攻击。它通过对指针进行签名和验证，确保指针的完整性和有效性。通过这种机制，系统能够检测指针是否被篡改，从而提高整体安全性。指针认证可用于保护返回地址和数据指针，防止恶意代码利用无效指针进行攻击。
	Branch Target Identifier	分支目标标识符是一种机制，用于提高分支预测的安全性。它为每个分支指令提供唯一的标识符，确保在执行分支时验证其合法性，从而减少控制流劫持的风险。通过这种机制，处理器能够验证分支目标的有效性，增强了系统的安全性，特别是在多线程和异步执行的环境中。
	Full Armv7 Compatibility	完全兼容Armv7架构。
Armv9	Machine Learning	支持机器学习应用，优化了神经网络和其他机器学习算法的执行。
	Digital Signal Processing	数字信号处理能力的增强，适用于音频、视频和其他信号处理应用。
	Improved Security	安全性的进一步改进，包括更强大的加密和安全机制。
	Full Armv8 Compatibility	完全兼容Armv8架构，确保了向后兼容性。

* VFP（Vector Floating Point）是ARM公司为其 Cortex-A 系列处理器设计的一种 SIMD（Single Instruction, Multiple Data，单指令多数据）技术。SIMD 技术允许一条指令同时对多个数据进行操作，从而在多媒体和信号处理方面提高处理速度和效率。

* NEON的全称是“Advanced SIMD”，即“高级单指令多数据”处理技术。它是ARM架构中的一个重要组成部分，旨在通过并行处理数据来提高处理器的性能，特别是在处理多媒体和信号处理任务时。NEON技术允许处理器同时执行多个操作，从而加速了图像处理、音频处理、视频编码和解码等计算密集型的应用。

* TrustZone 是 ARM 公司提出的一项安全技术，旨在为嵌入式系统和移动设备提供一种安全的运行环境。这项技术通过在芯片设计中加入一个独立的 secure world（安全世界），与传统的 non-secure world（非安全世界）形成对比，从而实现对敏感数据和操作的隔离保护。

*Jazelle技术是ARM架构中的一个扩展，它允许ARM处理器直接执行Java字节码，而不需要先将字节码转换为机器码。这项技术的目的是为了提高运行Java应用程序的效率，尤其是在移动设备上，如智能手机和平板电脑。

在ARM架构的发展过程中，每个版本的更新不仅提升了整体性能，还针对不同应用场景进行了优化：

ARMv7与32位系统的支持

ARMv7是ARM架构成熟期的重要里程碑，推出了Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三大处理器系列，分别针对高性能应用、实时控制和微控制器领域。Cortex-A8、A9等型号成为智能手机和平板电脑的主力芯片，为安卓设备和iOS设备提供了强大的处理能力。ARMv7的设计特点是性能优化、低功耗，并支持更多的多核架构，从而进一步增强了设备的多任务处理能力。

ARMv8及之后的64位系统的优势

ARMv8架构是ARM历史上的一个重大转折点，引入了对64位运算的支持（AArch64），并保持对32位应用的兼容性（AArch32）。这一改进使ARM架构在性能上有了显著的提升，为更复杂的计算任务提供了可能性，如高性能应用、服务器和数据中心。这一时期，苹果率先在其iPhone 5s中采用了基于ARMv8架构的A7芯片，这是智能手机行业首款64位处理器，引领了移动设备向64位过渡的潮流。

ARMv8还引入了更多的虚拟化支持和安全功能，如TrustZone技术，进一步提高了设备的安全性，使其能够在企业应用和IoT设备中发挥更大的作用。

ARMv9：安全性、AI、机器学习等领域的增强

ARMv9架构是ARM最新的处理器架构，旨在应对人工智能、机器学习和安全性等新兴技术领域的需求。与ARMv8相比，ARMv9在性能和能效上进一步提升，并引入了新的安全功能和AI计算扩展。

ARMv9的一个重要特点是引入了 “机密计算架构”（CCA），该架构通过硬件支持的数据隔离和加密，使得设备在处理敏感数据时能够提供更高的安全性，这对于现代企业和个人用户的数据安全需求至关重要。

*Realm：这是一个隔离的环境，用于运行中间件和应用程序，以及操作系统。

*Non-secure：这是一个非安全区域，也运行中间件和应用程序，以及操作系统。它通过Hypervisor与安全区域进行通信。

*Secure：这是一个安全区域，运行中间件和应用程序，以及操作系统。它通过Secure Partition Manager与非安全区域进行通信。

在AI和机器学习方面，ARMv9加入了SVE2（Scalable Vector Extension 2可扩展矢量扩展2），以增强处理向量化数据和AI计算任务的能力。SVE2的加入使得ARM处理器在进行复杂的数据分析、图像处理和机器学习推理时能够更有效率，进一步扩展了其在边缘计算和数据中心中的应用前景。

ARMv9强化了在AI和机器学习任务中的能力，使其能够在边缘设备上执行更复杂的推理和计算任务，这对于物联网设备、智能家居和工业自动化等领域有着重要的意义。

ARM9之后，ARM推出了ARM11架构，进一步提高了性能和能效，并引入了更先进的特性，如多媒体指令集和更好的多核支持。

1.2 Cortex处理器系列

ARM的Cortex系列是ARM处理器产品线中最广泛应用的家族，针对不同的应用场景，分为Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三大类，每一类都有各自的特点和目标应用。

处理器系列	特性	应用场景
Cortex-A	- 专为高性能计算设计，支持高级操作系统（如Android、Linux、Windows）。	- 广泛应用于消费电子设备，如三星、华为和苹果等品牌的智能手机、平板和智能电视。
Cortex-A	- 具有多核设计，支持big.LITTLE架构，能够在高性能和低功耗之间进行智能切换。	- 适合需要高性能的设备，如笔记本电脑。
Cortex-R	- 专为实时控制系统设计，具有高可靠性和低延迟的特点。	- 在汽车领域用于电子控制单元（ECU）、自动驾驶系统和高级驾驶辅助系统（ADAS）。
Cortex-R	- 支持实时操作系统（RTOS），能够快速响应和处理关键任务。	- 在医疗设备中，如心脏起搏器等，确保高可靠性。
Cortex-M	- 针对微控制器应用，具有超低功耗、简单易用和高度集成的特点。	- 适用于电池供电的设备，如智能手表、温控器、智能灯泡等智能家居产品。
Cortex-M	- 适合物联网（IoT）设备、家电、智能家居和可穿戴设备。	- 在工业自动化、智能农业和其他IoT应用中表现出色。

1.3 其他ARM处理器设计

除了传统的Cortex系列处理器，ARM还推出了针对高性能计算和数据中心的专用架构，满足云计算、大数据和边缘计算等新兴领域的需求。

Neoverse架构：数据中心和高性能计算

Neoverse是ARM专为数据中心和高性能计算（HPC）设计的架构，重点提升多核计算能力、能效和系统带宽。它与传统的Cortex系列不同，针对的是服务器级别的计算环境，致力于提供更高的并行处理能力和更强的计算性能。

应用场景：Neoverse架构被广泛应用于云服务器、数据中心、网络基础设施和边缘计算设备中。随着ARM生态系统的不断壮大，越来越多的云服务提供商（如Amazon AWS的Graviton处理器）采用ARM架构进行高效能计算和大规模数据处理。Neoverse处理器提供的多核并行性和高能效设计，使其在处理AI、机器学习、数据分析和科学计算等任务时表现出色。

1.4 ARM的授权模式

ARM架构的成功还源于其开放的授权模式，吸引了大量芯片厂商参与其中。国内如华为和紫光展锐等企业，基于ARM架构开发了多款具有自主知识产权的处理器产品，这些产品广泛应用于智能手机、平板电脑、物联网等领域，进一步推动了ARM架构的普及和发展。例如，华为的麒麟系列处理器在多项性能测试中表现优异，赢得了市场和消费者的广泛认可，通过深度定制优化，成功跻身高端芯片行列，成为国产高端芯片的代表, 显示了ARM架构在移动设备领域的强大适应性和竞争力。

与此同时，国外的ARM架构研究与应用同样蓬勃发展。作为ARM架构的创始者与核心知识产权持有者，ARM公司持续推动该架构的技术创新和市场拓展。高通、三星、苹果等国际知名芯片厂商基于ARM架构开发出多款高性能处理器，这些产品在全球范围内享有极高声誉和市场占有率。尤其在智能手机和平板电脑领域，ARM架构已成为主导力量，凭借卓越的性能与能效表现，确保基于ARM的设备在移动计算市场占据重要地位。此外，ARM架构正逐步进军笔记本电脑市场，展现出对传统x86架构的有力挑战，带来了更高效的功耗管理和移动性体验。

角色/元素	描述	关系/职责
ARM公司	创造SoC基础设施，包括CPU、EDA工具、软件开发工具、物理IP等	提供技术授权和服务，收取授权费和使用费
客户群体	购买ARM技术的企业或组织	利用ARM技术进行产品设计和制造
芯片设计师	设计硅片的企业或团队，可能是内部团队或外部供应商	使用ARM的技术和IP，设计差异化产品
最终用户	使用OEM/ODM制造的电子产品的消费者和服务提供商	产品的最终消费者，不直接与ARM公司交易
OEMs/ODMs	原始设备制造商（OEM）和原始设计制造商（ODM）	使用芯片设计师提供的硅片，构建系统集成方案，制造最终产品
授权费（License Fee）	购买ARM技术使用权时支付的一次性费用	ARM公司的主要收入来源之一
使用费（Royalty）	基于销售量或其他指标计算的持续费用	ARM公司的主要收入来源之一，通常与产品的销售量成正比

无论在国内还是国外，ARM架构的研究和应用都展现出强劲的发展势头。随着技术的不断演进和市场的拓展，ARM架构将在未来进一步发挥重要作用，推动全球计算机技术的持续创新与进步。特别是在人工智能、物联网和云计算等新兴领域，ARM架构将为构建低功耗、高性能的计算平台提供更多可能性，助力全球信息技术产业的升级和发展。

1.5 ARM指令集

ARM指令集作为ARM架构的核心，设计中体现了简洁与高效的理念。其主要分为两大类：ARM指令和Thumb指令，分别针对不同的应用场景和性能需求。

ARM指令：ARM指令采用32位长度，这种设计使得每条指令能够携带更多的操作信息和寻址模式，支持更为复杂的操作。这类指令在高性能计算任务中表现优异，能够满足复杂算法和数据处理的需求。其丰富的指令功能和灵活的寻址方式，为高性能处理器提供了强大的运算能力。此外，ARM指令集在执行时能够快速、高效地处理数据，适用于需要高吞吐量的应用，如多媒体处理和图像运算。
Thumb指令：Thumb指令长度为16位，设计目标是在保持一定性能的同时，降低功耗和提高代码密度。相比ARM指令，Thumb指令集的紧凑性使得代码占用更少的存储空间，这在内存有限的嵌入式系统中尤为重要。它特别适用于对成本和功耗有严格要求的设备，如物联网终端、可穿戴设备和低功耗传感器。通过减少每条指令的长度，Thumb指令集实现了更高的能效，满足了便携式设备对低功耗和紧凑设计的需求。

特性	ARM 指令集	THUMB 指令集
指令集宽度	32位指令集，每条指令32位	16位指令集，每条指令16位
数据地址指令	可以同时处理三个操作数的数据地址指令	只能同时处理两个操作数的数据地址指令
通用寄存器数量	有16个通用目的寄存器 (R0-R15)	只有8个通用目的寄存器 (R0-R7)，某些指令可以访问额外的寄存器
二进制编码规则性	二进制编码更加规范，有利于编译器和优化器的实现	编码较为简单，但由于指令长度限制，可能不如ARM指令集规范
指令集关系	ARM的完整指令集	ARM指令集的一个子集
代码密度	指令较长，代码密度较低	指令较短，代码密度较高，节省存储空间
性能/功耗效率	提供更多的功能和灵活性，但可能功耗较高	通过减小指令长度提高了代码效率和降低了功耗，适合对功耗要求较高的系统

ARM指令集凭借其简洁、高效的特点，成为计算机指令集设计的典范。在高性能计算和低功耗应用场景中，ARM指令集都能提供合适的解决方案。通过不断适应技术发展趋势、优化架构性能、扩展新功能，ARM指令集不仅实现了技术层面的创新，更抓住了市场需求，推动了ARM架构在全球范围内的广泛应用和持续发展。

1.6 ARM处理器结构

ARM处理器的核心结构是其实现高性能和低功耗的基础，主要包括处理器核心、缓存系统和总线接口等关键模块。这些组件通过紧密协作，确保指令的高效执行和数据的快速处理。如图是一个典型的ARM架构处理器芯片内部结构示意图，各个模块的作用如下：

模块	中文名称	功能解析
ARM Core	中央处理单元	核心部分，负责执行指令和进行数据处理。ARM架构的RISC设计特点使其能够高效处理任务，支持低功耗和高性能的计算。
NVIC	嵌套矢量中断控制器	用于处理中断管理和优先级控制，可高效处理多种中断，提高系统响应速度，允许多个中断源以嵌套方式处理，并为高优先级中断提供快速服务。
WIC	唤醒中断控制器	主要用于低功耗模式下，通过外部中断信号唤醒处理器，帮助设备节省能源。这对于延长电池寿命的设备（如物联网和智能穿戴设备）至关重要。
ETM	嵌入式追踪宏单元	用于实时调试和监测处理器运行状态，帮助开发者分析程序执行情况，是强大的调试工具，使开发阶段能够快速定位和解决问题。
DAP	调试访问端口	提供外部调试工具和处理器之间的接口，使开发者能够直接访问内部资源进行调试和程序烧录，有助于加速开发和问题解决。
Memory Protection Unit (MPU)	内存保护单元	用于防止非法访问内存，从而提升系统的安全性和稳定性。通过设置不同的内存区域和访问权限，确保程序和数据安全，避免未授权的内存操作。
Serial Wire Viewer (SWV)	串行线查看器	提供一种低开销的实时数据追踪和输出功能，可以监视处理器的内部状态，帮助开发人员实时查看程序执行过程，有助于调试和性能优化。
Data Watchpoints Flash Patch	数据监视点和闪存补丁	数据监视点：用于在特定的数据访问时触发中断，有助于调试特定的数据操作。闪存补丁：允许在调试阶段进行代码替换和修改，而无需重新编译整个程序。
Bus Matrix	总线矩阵	提供芯片内各个模块之间的数据传输路径，使得处理器、存储器和外设之间能够高效通信。总线矩阵的设计决定了系统的整体数据处理效率，影响性能表现。
Code Interface	代码接口	用于与存储代码的外部存储器（如Flash）进行交互。ARM处理器在运行时通过该接口从外部存储器加载指令，确保指令读取的稳定性和速度。
SRAM Peripheral I/F	SRAM及外设接口	提供与片内SRAM（静态随机存取存储器）和外部设备的接口，支持数据存储和外设控制。例如，可连接传感器、显示器等各种外部设备，增强系统的功能扩展性。

ARM架构的整体工作原理是通过多个组件和模块的协同工作，确保处理器高效地执行任务、响应中断并维护系统安全性：

在运行过程中，ARM Core从外部存储器（通过Code Interface）加载指令，并通过Bus Matrix和各模块进行数据交互。
NVIC和WIC确保系统可以响应外部事件并高效处理中断。
DAP和ETM等调试模块为开发者提供强大的调试工具，方便进行程序优化和问题排查。
内存保护和虚拟化技术（如MPU和TrustZone）保障系统的安全性和数据完整性。

模块	功能描述
1. 指令加载与执行
ARM Core	ARM处理器核心负责执行加载到内存中的指令，通过Code Interface从外部存储器（如闪存或RAM）加载指令，指令解析后进入处理器进行执行。
Bus Matrix	一种互连结构，连接处理器核心、内存和外部设备，负责数据交换，确保指令和数据在各模块之间的高效传输，支持多个主设备和从设备的并行访问，提高系统整体带宽和响应速度。
2. 中断管理
NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）	ARM架构中的中断控制器，管理系统中的所有中断请求，支持嵌套中断，允许高优先级的中断打断低优先级的中断处理，确保重要任务及时响应。
WIC（Wakeup Interrupt Controller）	在低功耗模式下监测外部事件，能够在系统休眠时检测事件并唤醒系统，优化能源消耗，同时确保及时响应外部请求。
3. 调试与优化
DAP（Debug Access Port）	ARM的调试接口，提供与处理器内部状态的交互功能，开发者可以通过DAP访问内存、寄存器及执行特定指令，方便调试和性能分析。
ETM（Embedded Trace Macrocell）	用于实时跟踪处理器执行的模块，记录处理器的执行流和数据流，帮助开发者了解程序执行情况，便于优化和问题排查。
4. 安全性与数据完整性
MPU（Memory Protection Unit）	实施内存保护，确保不同任务或进程在访问内存时不相互干扰，通过划分内存区域并设置访问权限保护关键数据和代码，提升系统安全性。
TrustZone	硬件隔离技术，提供安全和非安全世界的概念，允许在同一处理器上运行安全和非安全操作，保护敏感数据（如加密密钥）免受攻击，通过安全执行环境实现数据的完整性和隐私。

ARM处理器的结构设计始终围绕高性能、低功耗和易集成等目标，通过不断优化核心结构、提升缓存系统性能以及完善总线接口设计，适应不同的应用需求。在移动设备、嵌入式系统和物联网设备等领域，ARM处理器以其卓越的能效比、灵活的架构设计和可扩展性，成为主流选择。例如，Big.LITTLE架构的提出，通过结合高性能核心和低功耗核心，实现了在性能和能耗之间的动态平衡，在手机和嵌入式设备中广泛应用。

随着技术的不断进步和市场需求的多样化，ARM处理器结构设计将继续创新发展。例如，随着人工智能（AI）应用的普及，未来的ARM处理器将更多地集成专用AI加速器，以便在边缘设备上实现实时AI推理。此外，5G技术和物联网设备的激增，将促使ARM架构进一步优化其低功耗特性，以支持海量连接设备的高效通信。通过不断演进，ARM处理器将在未来计算领域注入更多活力，为更多应用场景提供创新的计算解决方案。

1.7 ARM架构中的关键技术

ARM架构中的关键技术涵盖了多核技术、低功耗设计和虚拟化技术等领域，这些技术协同作用，构成了ARM架构的核心竞争力，使其在多样化的应用场景中表现卓越。

多核技术

多核技术在ARM架构中尤为重要，通过在一个处理器内集成多个核心，实现了并行处理能力的显著提升。这种设计不仅支持同时处理多个任务，还能通过任务分割和并行执行，提高单个任务的处理效率。尤其是在复杂计算任务和多任务操作中，多核技术使ARM处理器能够高效响应，提高整体性能和用户体验。随着大数据处理、图像处理等应用需求的增长，多核技术成为了ARM架构应对复杂计算的关键手段。

低功耗设计

ARM架构的低功耗设计是其在移动设备市场取得成功的基础。为了满足便携设备对电池续航的需求，ARM通过精心的电路优化、动态电压和频率调节（DVFS）等技术，显著降低了处理器的功耗。在不牺牲性能的前提下，ARM处理器能以更低的能耗运行，从而延长设备的使用时间。这种低功耗特性不仅在智能手机和平板电脑中发挥优势，也在物联网和可穿戴设备等领域得到广泛应用，支持设备全天候运行。

技术领域	关键技术	描述
1. 低功耗设计	动态功耗管理	ARM处理器能够根据不同工作负载动态调整功耗，如在闲置或轻负载状态时自动进入休眠模式，降低运行频率，从而显著降低功耗。
	电源门控技术	采用先进的电源门控技术，可以精确控制各模块的供电状态，关闭不需要的功能单元，减少整体功耗。
	节能模式	设计多种节能模式（如深度睡眠和轻度睡眠），根据实时负载需求进行切换，保持低能耗运行。
2. 高性能处理	优化处理器核心设计	通过采用多发射（superscalar）和乱序执行（out-of-order execution）等技术，提升指令执行效率，实现多条指令的并行处理。
	高速缓存机制	引入多级高速缓存（L1、L2、L3），减少数据读写延迟，存储常用数据和指令，提升数据访问速度。
	内存访问优化	通过低延迟的内存接口和预取（prefetch）技术，优化内存访问，提升数据处理能力和响应速度。
3. 其他技术环节	芯片布局布线	利用电子设计自动化（EDA）工具进行自动化设计，优化芯片的物理布局和布线，确保满足性能、功耗和信号完整性等要求。
	测试与验证	采用严格的测试流程和仿真验证手段，确保芯片功能的正确性和性能的稳定性，及时发现并修复潜在缺陷。

虚拟化技术

随着云计算和数据中心的快速发展，虚拟化技术成为ARM架构中不可或缺的组成部分。ARM通过支持硬件级虚拟化，使多个操作系统和虚拟机可以在同一物理处理器上独立运行，实现了资源的灵活调度和高效利用。通过虚拟化技术，企业能够在减少物理服务器数量的同时，提升整体资源利用率，降低成本。这项技术的应用拓宽了ARM处理器在数据中心和边缘计算等高性能领域的应用范围，为用户带来了灵活高效的计算解决方案。

可扩展性与兼容性

ARM架构在可扩展性和兼容性方面的设计同样值得关注。无论是面向高性能需求的服务器，还是低功耗的嵌入式设备，ARM架构都能通过模块化的设计适应不同的应用场景。这种可扩展性使开发者能够根据具体需求配置处理器核心数量、频率和功能，同时确保与现有软件和硬件的兼容性。ARM的开放授权模式进一步促进了其生态系统的扩展，吸引了各大芯片厂商参与创新，使得ARM架构在多个行业领域中获得广泛应用。

ARM架构凭借多核技术、低功耗设计和虚拟化技术等关键技术，打造了强大的计算平台。多核技术提升了并行处理能力，低功耗设计满足了移动设备的需求，而虚拟化技术则助力数据中心和云计算的发展。这些技术优势加上高度的可扩展性和兼容性，使ARM架构在不断变化的市场中保持领先。随着技术的持续演进，ARM将在更多领域释放其潜力，为计算机科学技术的发展注入新活力。

1.8 ARM常用的操作系统

ARM架构上常用的操作系统种类繁多，涵盖从开源平台到专有系统，为基于ARM的设备提供了多样化的软件生态支持。以下是一些典型的操作系统及其在ARM架构上的特点和应用优势。

操作系统	描述	特点
Linux	作为全球最受欢迎的开源操作系统，Linux在ARM架构上展现了极高的适应性和广泛的应用。其开放性和可定制性使其能够根据设备的特定需求进行灵活裁剪和优化，适用于智能手机、平板电脑、嵌入式系统、物联网设备和服务器等多种应用场景。开发者可以自由获取和修改源代码，为ARM设备设计高效、定制化的功能。	- 开源特性推动了大量开源软件生态的发展。
		- 灵活裁剪与优化以满足不同设备需求。
		- 适用范围广泛。
Windows RT	微软推出的Windows RT专门针对ARM架构进行优化，继承了Windows系列的用户界面和应用生态。设计目标是为平板电脑和轻薄笔记本提供流畅、稳定的操作体验。通过优化处理器调度、内存管理和电源管理，Windows RT在ARM设备上实现了较高的能效比，带来更长的电池续航和更高效的性能。	- 针对ARM优化，提供流畅的用户体验。
		- 较高的能效比和电池续航。
		- 封闭性增强了系统安全性和稳定性。
Android	Android是目前智能手机和平板电脑市场上最广泛使用的操作系统之一，特别针对ARM架构进行了深度优化。基于Linux内核，具有开源特性，允许开发者开发多样化的应用和服务。ARM架构在移动设备中的普及，使得Android优化了运行机制，包括处理器调度、内存管理和电源优化等，以实现出色的性能和续航能力。	- 丰富的应用生态，支持多样的设备配置。
		- 优化运行机制，提升性能与续航。
		- 开源特性促进应用开发。
iOS	苹果的iOS系统是ARM架构在移动设备上的代表。iOS针对苹果自研的ARM架构芯片（如A系列处理器）进行了高度优化，以实现卓越的性能和极低的功耗。软硬件一体化设计使iOS设备具备流畅的操作体验、强大的图形处理能力和长时间的电池续航。尽管iOS是封闭系统，但苹果提供了优质的开发工具（如Xcode）为开发者提供支持。	- 高度优化的性能与低功耗。
		- 软硬件一体化设计带来流畅体验。
		- 严格的开发规范和优质工具确保应用的稳定性与一致性。

总体而言，ARM架构上常见的操作系统各具特色，形成了丰富多样的软件生态。Linux的开放性、Windows RT的优化能效、Android的广泛适配性和iOS的软硬件协同设计，共同推动了ARM架构在移动设备、嵌入式系统以及其他新兴技术领域的快速发展。随着ARM架构的不断进步，未来这些操作系统将在更多场景中得到更广泛的应用和创新。

参考：

华为自研CPU，遇到了最佳时候，网友：老天都在帮华为—维科号
Quick Look At Windows 10 On ARM - MDM Tech Space
被Armv9 重点引入的SVE2是何方神圣？_Photo
Introducing the Confidential Compute Architecture - Arm Announces Armv9 Architecture: SVE2, Security, and the Next Decade
An Introduction To ARMv9 Its Key Features Trustonic
Ppt | PPT | Free Download
ARM processor Introduction
The ARM Processors: A, R, and M Categories and Their Specifics - Sirin Software
Arm Clashes With Intel and AMD With N2 Server CPU Core | Electronic Design

-END-

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#01

相关理论基础

1.1 ARM架构概述

架构	特性/技术	描述
Armv4	Thumb	Thumb是一种16位的指令集，旨在减少代码大小，提高内存效率。
Armv5	Jazelle	Jazelle技术允许Java字节码直接在CPU上执行，提高了Java应用的性能。继续使用Jazelle技术，支持Java字节码的直接执行。
	VFPv2	Vector Floating Point version 2，提供了改进的浮点运算能力。
Armv6	Thumb-2	Thumb-2是Thumb指令集的扩展，支持32位指令，进一步提高了性能和效率。
	TrustZone	TrustZone技术提供了硬件级别的安全功能，用于保护敏感数据和应用。
	SIMD	单指令多数据（SIMD）指令集，用于提高多媒体和信号处理应用的性能。
Armv7	Adv SIMD	先进的SIMD指令集，进一步增强了多媒体和信号处理能力。
	VFPv3/4	Vector Floating Point version 3/4，提供了更强大的浮点运算能力。
	LPAE	Large Physical Address Extension，支持更大的物理地址空间。
	Virtualization	虚拟化技术支持在同一硬件上运行多个操作系统实例。
Armv8	Improved Virtualization	改进的虚拟化技术，提供了更强的虚拟机管理和隔离能力。
	Vector Extensions	向量扩展，增强了并行处理能力。
	Bfloat	Bfloat（Brain Floating Point）是一种浮点数格式，特别设计用于深度学习和机器学习应用。
	Enhanced Crypto	增强的加密功能，提高了安全性。
	Scalar Floating Point	标量浮点运算的改进。
	Secure EL2	更安全的异常级别2，用于虚拟化和安全操作。
	Pointer Authentication	指针认证是一种安全机制，旨在防止指针劫持攻击。它通过对指针进行签名和验证，确保指针的完整性和有效性。通过这种机制，系统能够检测指针是否被篡改，从而提高整体安全性。指针认证可用于保护返回地址和数据指针，防止恶意代码利用无效指针进行攻击。
	Branch Target Identifier	分支目标标识符是一种机制，用于提高分支预测的安全性。它为每个分支指令提供唯一的标识符，确保在执行分支时验证其合法性，从而减少控制流劫持的风险。通过这种机制，处理器能够验证分支目标的有效性，增强了系统的安全性，特别是在多线程和异步执行的环境中。
	Full Armv7 Compatibility	完全兼容Armv7架构。
Armv9	Machine Learning	支持机器学习应用，优化了神经网络和其他机器学习算法的执行。
	Digital Signal Processing	数字信号处理能力的增强，适用于音频、视频和其他信号处理应用。
	Improved Security	安全性的进一步改进，包括更强大的加密和安全机制。
	Full Armv8 Compatibility	完全兼容Armv8架构，确保了向后兼容性。

在ARM架构的发展过程中，每个版本的更新不仅提升了整体性能，还针对不同应用场景进行了优化：

ARMv7与32位系统的支持

ARMv8及之后的64位系统的优势

ARMv8还引入了更多的虚拟化支持和安全功能，如TrustZone技术，进一步提高了设备的安全性，使其能够在企业应用和IoT设备中发挥更大的作用。

ARMv9：安全性、AI、机器学习等领域的增强

*Realm：这是一个隔离的环境，用于运行中间件和应用程序，以及操作系统。

*Non-secure：这是一个非安全区域，也运行中间件和应用程序，以及操作系统。它通过Hypervisor与安全区域进行通信。

*Secure：这是一个安全区域，运行中间件和应用程序，以及操作系统。它通过Secure Partition Manager与非安全区域进行通信。

ARM9之后，ARM推出了ARM11架构，进一步提高了性能和能效，并引入了更先进的特性，如多媒体指令集和更好的多核支持。

1.2 Cortex处理器系列

ARM的Cortex系列是ARM处理器产品线中最广泛应用的家族，针对不同的应用场景，分为Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三大类，每一类都有各自的特点和目标应用。

处理器系列	特性	应用场景
Cortex-A	- 专为高性能计算设计，支持高级操作系统（如Android、Linux、Windows）。	- 广泛应用于消费电子设备，如三星、华为和苹果等品牌的智能手机、平板和智能电视。
Cortex-A	- 具有多核设计，支持big.LITTLE架构，能够在高性能和低功耗之间进行智能切换。	- 适合需要高性能的设备，如笔记本电脑。
Cortex-R	- 专为实时控制系统设计，具有高可靠性和低延迟的特点。	- 在汽车领域用于电子控制单元（ECU）、自动驾驶系统和高级驾驶辅助系统（ADAS）。
Cortex-R	- 支持实时操作系统（RTOS），能够快速响应和处理关键任务。	- 在医疗设备中，如心脏起搏器等，确保高可靠性。
Cortex-M	- 针对微控制器应用，具有超低功耗、简单易用和高度集成的特点。	- 适用于电池供电的设备，如智能手表、温控器、智能灯泡等智能家居产品。
Cortex-M	- 适合物联网（IoT）设备、家电、智能家居和可穿戴设备。	- 在工业自动化、智能农业和其他IoT应用中表现出色。

1.3 其他ARM处理器设计

除了传统的Cortex系列处理器，ARM还推出了针对高性能计算和数据中心的专用架构，满足云计算、大数据和边缘计算等新兴领域的需求。

Neoverse架构：数据中心和高性能计算

Neoverse是ARM专为数据中心和高性能计算（HPC）设计的架构，重点提升多核计算能力、能效和系统带宽。它与传统的Cortex系列不同，针对的是服务器级别的计算环境，致力于提供更高的并行处理能力和更强的计算性能。

应用场景：Neoverse架构被广泛应用于云服务器、数据中心、网络基础设施和边缘计算设备中。随着ARM生态系统的不断壮大，越来越多的云服务提供商（如Amazon AWS的Graviton处理器）采用ARM架构进行高效能计算和大规模数据处理。Neoverse处理器提供的多核并行性和高能效设计，使其在处理AI、机器学习、数据分析和科学计算等任务时表现出色。

1.4 ARM的授权模式

角色/元素	描述	关系/职责
ARM公司	创造SoC基础设施，包括CPU、EDA工具、软件开发工具、物理IP等	提供技术授权和服务，收取授权费和使用费
客户群体	购买ARM技术的企业或组织	利用ARM技术进行产品设计和制造
芯片设计师	设计硅片的企业或团队，可能是内部团队或外部供应商	使用ARM的技术和IP，设计差异化产品
最终用户	使用OEM/ODM制造的电子产品的消费者和服务提供商	产品的最终消费者，不直接与ARM公司交易
OEMs/ODMs	原始设备制造商（OEM）和原始设计制造商（ODM）	使用芯片设计师提供的硅片，构建系统集成方案，制造最终产品
授权费（License Fee）	购买ARM技术使用权时支付的一次性费用	ARM公司的主要收入来源之一
使用费（Royalty）	基于销售量或其他指标计算的持续费用	ARM公司的主要收入来源之一，通常与产品的销售量成正比

1.5 ARM指令集

ARM指令集作为ARM架构的核心，设计中体现了简洁与高效的理念。其主要分为两大类：ARM指令和Thumb指令，分别针对不同的应用场景和性能需求。

ARM指令：ARM指令采用32位长度，这种设计使得每条指令能够携带更多的操作信息和寻址模式，支持更为复杂的操作。这类指令在高性能计算任务中表现优异，能够满足复杂算法和数据处理的需求。其丰富的指令功能和灵活的寻址方式，为高性能处理器提供了强大的运算能力。此外，ARM指令集在执行时能够快速、高效地处理数据，适用于需要高吞吐量的应用，如多媒体处理和图像运算。
Thumb指令：Thumb指令长度为16位，设计目标是在保持一定性能的同时，降低功耗和提高代码密度。相比ARM指令，Thumb指令集的紧凑性使得代码占用更少的存储空间，这在内存有限的嵌入式系统中尤为重要。它特别适用于对成本和功耗有严格要求的设备，如物联网终端、可穿戴设备和低功耗传感器。通过减少每条指令的长度，Thumb指令集实现了更高的能效，满足了便携式设备对低功耗和紧凑设计的需求。

特性	ARM 指令集	THUMB 指令集
指令集宽度	32位指令集，每条指令32位	16位指令集，每条指令16位
数据地址指令	可以同时处理三个操作数的数据地址指令	只能同时处理两个操作数的数据地址指令
通用寄存器数量	有16个通用目的寄存器 (R0-R15)	只有8个通用目的寄存器 (R0-R7)，某些指令可以访问额外的寄存器
二进制编码规则性	二进制编码更加规范，有利于编译器和优化器的实现	编码较为简单，但由于指令长度限制，可能不如ARM指令集规范
指令集关系	ARM的完整指令集	ARM指令集的一个子集
代码密度	指令较长，代码密度较低	指令较短，代码密度较高，节省存储空间
性能/功耗效率	提供更多的功能和灵活性，但可能功耗较高	通过减小指令长度提高了代码效率和降低了功耗，适合对功耗要求较高的系统

1.6 ARM处理器结构

模块	中文名称	功能解析
ARM Core	中央处理单元	核心部分，负责执行指令和进行数据处理。ARM架构的RISC设计特点使其能够高效处理任务，支持低功耗和高性能的计算。
NVIC	嵌套矢量中断控制器	用于处理中断管理和优先级控制，可高效处理多种中断，提高系统响应速度，允许多个中断源以嵌套方式处理，并为高优先级中断提供快速服务。
WIC	唤醒中断控制器	主要用于低功耗模式下，通过外部中断信号唤醒处理器，帮助设备节省能源。这对于延长电池寿命的设备（如物联网和智能穿戴设备）至关重要。
ETM	嵌入式追踪宏单元	用于实时调试和监测处理器运行状态，帮助开发者分析程序执行情况，是强大的调试工具，使开发阶段能够快速定位和解决问题。
DAP	调试访问端口	提供外部调试工具和处理器之间的接口，使开发者能够直接访问内部资源进行调试和程序烧录，有助于加速开发和问题解决。
Memory Protection Unit (MPU)	内存保护单元	用于防止非法访问内存，从而提升系统的安全性和稳定性。通过设置不同的内存区域和访问权限，确保程序和数据安全，避免未授权的内存操作。
Serial Wire Viewer (SWV)	串行线查看器	提供一种低开销的实时数据追踪和输出功能，可以监视处理器的内部状态，帮助开发人员实时查看程序执行过程，有助于调试和性能优化。
Data Watchpoints Flash Patch	数据监视点和闪存补丁	数据监视点：用于在特定的数据访问时触发中断，有助于调试特定的数据操作。闪存补丁：允许在调试阶段进行代码替换和修改，而无需重新编译整个程序。
Bus Matrix	总线矩阵	提供芯片内各个模块之间的数据传输路径，使得处理器、存储器和外设之间能够高效通信。总线矩阵的设计决定了系统的整体数据处理效率，影响性能表现。
Code Interface	代码接口	用于与存储代码的外部存储器（如Flash）进行交互。ARM处理器在运行时通过该接口从外部存储器加载指令，确保指令读取的稳定性和速度。
SRAM Peripheral I/F	SRAM及外设接口	提供与片内SRAM（静态随机存取存储器）和外部设备的接口，支持数据存储和外设控制。例如，可连接传感器、显示器等各种外部设备，增强系统的功能扩展性。

ARM架构的整体工作原理是通过多个组件和模块的协同工作，确保处理器高效地执行任务、响应中断并维护系统安全性：

在运行过程中，ARM Core从外部存储器（通过Code Interface）加载指令，并通过Bus Matrix和各模块进行数据交互。
NVIC和WIC确保系统可以响应外部事件并高效处理中断。
DAP和ETM等调试模块为开发者提供强大的调试工具，方便进行程序优化和问题排查。
内存保护和虚拟化技术（如MPU和TrustZone）保障系统的安全性和数据完整性。

模块	功能描述
1. 指令加载与执行
ARM Core	ARM处理器核心负责执行加载到内存中的指令，通过Code Interface从外部存储器（如闪存或RAM）加载指令，指令解析后进入处理器进行执行。
Bus Matrix	一种互连结构，连接处理器核心、内存和外部设备，负责数据交换，确保指令和数据在各模块之间的高效传输，支持多个主设备和从设备的并行访问，提高系统整体带宽和响应速度。
2. 中断管理
NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller）	ARM架构中的中断控制器，管理系统中的所有中断请求，支持嵌套中断，允许高优先级的中断打断低优先级的中断处理，确保重要任务及时响应。
WIC（Wakeup Interrupt Controller）	在低功耗模式下监测外部事件，能够在系统休眠时检测事件并唤醒系统，优化能源消耗，同时确保及时响应外部请求。
3. 调试与优化
DAP（Debug Access Port）	ARM的调试接口，提供与处理器内部状态的交互功能，开发者可以通过DAP访问内存、寄存器及执行特定指令，方便调试和性能分析。
ETM（Embedded Trace Macrocell）	用于实时跟踪处理器执行的模块，记录处理器的执行流和数据流，帮助开发者了解程序执行情况，便于优化和问题排查。
4. 安全性与数据完整性
MPU（Memory Protection Unit）	实施内存保护，确保不同任务或进程在访问内存时不相互干扰，通过划分内存区域并设置访问权限保护关键数据和代码，提升系统安全性。
TrustZone	硬件隔离技术，提供安全和非安全世界的概念，允许在同一处理器上运行安全和非安全操作，保护敏感数据（如加密密钥）免受攻击，通过安全执行环境实现数据的完整性和隐私。

1.7 ARM架构中的关键技术

多核技术

低功耗设计

技术领域	关键技术	描述
1. 低功耗设计	动态功耗管理	ARM处理器能够根据不同工作负载动态调整功耗，如在闲置或轻负载状态时自动进入休眠模式，降低运行频率，从而显著降低功耗。
	电源门控技术	采用先进的电源门控技术，可以精确控制各模块的供电状态，关闭不需要的功能单元，减少整体功耗。
	节能模式	设计多种节能模式（如深度睡眠和轻度睡眠），根据实时负载需求进行切换，保持低能耗运行。
2. 高性能处理	优化处理器核心设计	通过采用多发射（superscalar）和乱序执行（out-of-order execution）等技术，提升指令执行效率，实现多条指令的并行处理。
	高速缓存机制	引入多级高速缓存（L1、L2、L3），减少数据读写延迟，存储常用数据和指令，提升数据访问速度。
	内存访问优化	通过低延迟的内存接口和预取（prefetch）技术，优化内存访问，提升数据处理能力和响应速度。
3. 其他技术环节	芯片布局布线	利用电子设计自动化（EDA）工具进行自动化设计，优化芯片的物理布局和布线，确保满足性能、功耗和信号完整性等要求。
	测试与验证	采用严格的测试流程和仿真验证手段，确保芯片功能的正确性和性能的稳定性，及时发现并修复潜在缺陷。

虚拟化技术

可扩展性与兼容性

1.8 ARM常用的操作系统

操作系统	描述	特点
Linux	作为全球最受欢迎的开源操作系统，Linux在ARM架构上展现了极高的适应性和广泛的应用。其开放性和可定制性使其能够根据设备的特定需求进行灵活裁剪和优化，适用于智能手机、平板电脑、嵌入式系统、物联网设备和服务器等多种应用场景。开发者可以自由获取和修改源代码，为ARM设备设计高效、定制化的功能。	- 开源特性推动了大量开源软件生态的发展。
		- 灵活裁剪与优化以满足不同设备需求。
		- 适用范围广泛。
Windows RT	微软推出的Windows RT专门针对ARM架构进行优化，继承了Windows系列的用户界面和应用生态。设计目标是为平板电脑和轻薄笔记本提供流畅、稳定的操作体验。通过优化处理器调度、内存管理和电源管理，Windows RT在ARM设备上实现了较高的能效比，带来更长的电池续航和更高效的性能。	- 针对ARM优化，提供流畅的用户体验。
		- 较高的能效比和电池续航。
		- 封闭性增强了系统安全性和稳定性。
Android	Android是目前智能手机和平板电脑市场上最广泛使用的操作系统之一，特别针对ARM架构进行了深度优化。基于Linux内核，具有开源特性，允许开发者开发多样化的应用和服务。ARM架构在移动设备中的普及，使得Android优化了运行机制，包括处理器调度、内存管理和电源优化等，以实现出色的性能和续航能力。	- 丰富的应用生态，支持多样的设备配置。
		- 优化运行机制，提升性能与续航。
		- 开源特性促进应用开发。
iOS	苹果的iOS系统是ARM架构在移动设备上的代表。iOS针对苹果自研的ARM架构芯片（如A系列处理器）进行了高度优化，以实现卓越的性能和极低的功耗。软硬件一体化设计使iOS设备具备流畅的操作体验、强大的图形处理能力和长时间的电池续航。尽管iOS是封闭系统，但苹果提供了优质的开发工具（如Xcode）为开发者提供支持。	- 高度优化的性能与低功耗。
		- 软硬件一体化设计带来流畅体验。
		- 严格的开发规范和优质工具确保应用的稳定性与一致性。

参考：

华为自研CPU，遇到了最佳时候，网友：老天都在帮华为—维科号
Quick Look At Windows 10 On ARM - MDM Tech Space
被Armv9 重点引入的SVE2是何方神圣？_Photo
Introducing the Confidential Compute Architecture - Arm Announces Armv9 Architecture: SVE2, Security, and the Next Decade
An Introduction To ARMv9 Its Key Features Trustonic
Ppt | PPT | Free Download
ARM processor Introduction
The ARM Processors: A, R, and M Categories and Their Specifics - Sirin Software
Arm Clashes With Intel and AMD With N2 Server CPU Core | Electronic Design

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