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。）
* 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。
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。
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。
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：
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。
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。
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。
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
作者：北湾南巷
来源：汽车电子与软件
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