什么是Cortex、ARMv8、arm架構、ARM指令集、soc

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ARM公司

ARM首先是一個公司，即Advanced RISC Machines的縮寫。但是他本來并不叫這個名字，來看看ARM公司的成長歷史。

1978年，一個名叫Hermann Hauser的奧地利籍物理學博士，還有他的朋友，一個名叫Chris  Curry的英國工程師成立了一家名字叫“CPU”的公司。這家CPU公司的全稱，是Cambridge Processor  Unit，字面意思是“劍橋處理器單元”。

CPU公司成立之后，主要從事電子設備設計和制造的業(yè)務。他們接到的第一份訂單，是制造賭博機的微控制器系統(tǒng)。

這個微控制器系統(tǒng)被開發(fā)出來后，稱之為Acorn System 1。

之所以叫Acorn，就是因為他們想在電話黃頁里排在Apple(蘋果)公司的前面。

在Acorn System 1之后，他們又陸續(xù)開發(fā)了System 2、3、4，還有面向消費者的盒式計算機——Acorn Atom。

到了1981年，公司迎來了一個難得的機遇——英國廣播公司BBC打算在整個英國播放一套提高電腦普及水平的節(jié)目，他們希望Acorn能生產一款與之配套的電腦。

但是他們就發(fā)現(xiàn)，自己產品的硬件設計并不能滿足需求。當時，中央處理器的發(fā)展潮流，正在從8位變成16位。Acorn并沒有合適的芯片可以用。

于是，他們打算去找當時如日中天的英特爾(Intel)，希望對方提供一些80286處理器的設計資料和樣品。然而，英特爾無情地拒絕了他們。

備受打擊的Acorn公司，一氣之下決定自己干，自己造芯片。(多么熟悉的橋段!)

于是Acorn公司的研發(fā)人員從美國加州大學伯克利分校找到了一個關于新型處理器的研究——簡化指令集，恰好可以滿足他們的設計要求。

在此基礎上，經過多年的艱苦奮斗，來自劍橋大學的計算機科學家Sophie Wilson和Steve  Furber最終完成了微處理器的設計。前者負責指令集開發(fā)，后者負責芯片設計。

對于這塊芯片，Acorn給它命名為Acorn RISC Machine。

這就是**“ARM”**三個字母的由來。

在ARM1之后，Acorn陸續(xù)推出了好幾個系列，例如ARM2，ARM3。

1990年，Acorn為了和蘋果合作，專門成立了一家公司，名叫ARM。

注意，這里的ARM是公司名稱，不是芯片名稱。這個ARM的完全拼寫也不一樣，是Advanced  RISC Machines。

前面的芯片名稱：Acorn RISC Machine現(xiàn)在的公司名稱：Advanced RISC Machines

20世紀90年代，ARM 32位RISC(Reduced lnstruction Set  Computer)處理器擴展到國際范圍，占有了低功耗、低成本和高功能的嵌入式體系運用領域的領先地位。

ARM公司既不出產芯片也不出售芯片，它只出售芯片技能授權。

正式這個政策的制定，讓ARM公司擺脫了現(xiàn)金流的困擾，可以全身心都入到芯片研發(fā)上。

1998年4月17日，業(yè)務飛速發(fā)展的ARM控股公司，同時在倫敦證交所和納斯達克上市。

2007年，劃時代產品-iPhone  問世。而第一代iPhone，正是使用了ARM設計、三星制造的芯片。

2008年，谷歌推出了Android(安卓)系統(tǒng)，也是基于ARM指令集。至此，智能手機進入了飛速發(fā)展階段，ARM也因此奠定了在智能手機市場的霸主地位。

2016年7月18日消息，日本軟銀以234億英鎊(約合310億美元)的價格收購英國芯片設計公司ARM。

2020年9月14日，英偉達正式宣布將以400億美元的價格從軟銀手中收購ARM公司。根據(jù)協(xié)議，英偉達將向軟銀公司支付價值215億美元的英偉達股票，以及120億美元現(xiàn)金。

目前這樁收購案遭到了包括英特爾、高通、特斯拉等多家硅谷科技巨頭的反對，他們認為這筆交易對行業(yè)不利，此外中國和歐盟的監(jiān)管機構也可能會反對該收購案。

靜觀其變吧!

ARM內核與架構

任何一款ARM芯片都由兩大部分組成：ARM內核，外設。

ARM內核

ARM內核：包括了寄存器組、指令集、總線、存儲器映射規(guī)則、中斷邏輯和調試組件等。內核是由ARM公司設計并以銷售方式授權給個芯片廠商使用的(ARM公司本身不做芯片)。比如為高速度設計的Cortex  A8、A9都是ARMv7a 架構;Cortex M3、M4是ARMv7m架構;前者是處理器(就是內核)，后者是指令集的架構(也簡稱架構)。

外設部分包括計時器、A/D轉換器、存儲器、i2c、UART、SPI、ROM...等等，則完全由各芯片廠商自己設計并與ARM內核銜接配套。不同的芯片廠商就有不同的外設，因此構成了數(shù)量和規(guī)格龐大的ARM芯片產業(yè)。

ARM指令集架構

指令集的設計是處理器結構中最重要的一個部分，用ARM的術語稱之為ISA(Instruction Set Architecture)。

指令集可以說是cpu設計的靈魂，是打開CPU這個潘多拉魔盒的咒語，要想使用cpu，我們只能通過這些指令來操作cpu。

對于32位的cpu，這些指令就是一個個32位的01的序列，不同的值就代表了不同的機器指令，cpu的硬件能完美的解析并執(zhí)行這些指令，比如尋址、運算、異常處理等等。

當我們用手機玩著王者榮耀的時候，要知道我們的每發(fā)的一招，其實最終都是被翻譯成了一系列機器指令。

從1985年ARMv1架構誕生起，到2011年，ARM架構已經發(fā)展到了第八代ARMv8。

Cortex-A32/35/53/57/72/73/77/78采用的都是ARMv8架構，這是ARM公司的首款支持64位指令集的處理器架構。

ARM11之前的處理器和指令集架構

ARM11芯片之前，每一個芯片對應的架構關系如下：

ARM11之后處理器和指令集架構

ARM11芯片之后，也就是從ARMv7架構開始，ARM的命名方式有所改變。

新的處理器家族，改以Cortex命名，并分為三個系列，分別是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M。

很巧合，又是這三個字母A、R、M。

在這里插入圖片描述

Cortex-A系列(A：Application)

針對日益增長的消費娛樂和無線產品設計，用于具有高計算要求、運行豐富操作系統(tǒng)及提供交互媒體和圖形體驗的應用領域，如智能手機、平板電腦、汽車娛樂系統(tǒng)、數(shù)字電視，智能本、電子閱讀器、家用網絡、家用網關和其他各種產品。。

Cortex-R系列 (R：Real-time)

針對需要運行實時操作的系統(tǒng)應用，面向如汽車制動系統(tǒng)、動力傳動解決方案、大容量存儲控制器等深層嵌入式實時應用。

Cortex-M系列(M：Microcontroller)

該系列面向微控制器領域，主要針對成本和功耗敏感的應用，如智能測量、人機接口設備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、家用電器、消費性產品和醫(yī)療器械等。

Cortex-SC系列(SC：SecurCore)

其實，除了上述三大系列之外，還有一個主打安全的Cortex-SC系列(SC：SecurCore)，主要用于政府安全芯片。

ARM的產品天梯

ARM11系列包括了ARM11MPCore處理器、ARM1176處理器、ARM1156處理器、ARM1136處理器，它們是基于ARMv6架構。

ARM  Cortex-A5處理器、Cortex-A7處理器、Cortex-A8處理器、Cortex-A9處理器、Cortex-A15處理器隸屬于Cortex-A系列，基于ARMv7-A架構。

Cortex-A53、Cortex-A57兩款處理器屬于Cortex-A50系列，首次采用64位ARMv8架構。

2020年ARM最近發(fā)布了一款全新的CPU架構Cortex-A78，是基于ARMv8.2指令集。

什么是SOC?

SoC的全稱叫做：System-on-a-Chip，中文的的意思就是“把系統(tǒng)都做在一個芯片上”。

SoC上集成了很多手機上最關鍵的部件，比如CPU、GPU、內存、也就說雖然它在主板上的存在是一個芯片，但是它里邊可是由很多部件封裝組成的。

比如通常我們所說的高通801，麒麟950.三星的exynos  4412，A6等等都只是系統(tǒng)部件打包封裝(SoC)后的總稱。然而各家的打包封裝的內容則不盡相同，原因也不盡相同。

經典的ARM系統(tǒng)級芯片或所謂的Soc  包含許多組件，其中只有一些直接源自ARM。首先，核心本身通常深度嵌入在設備內部，在設備范疇內通常不直接可見，而調試端口通常是唯一和核心本身相連的外露部分，有一些粘合邏輯，如時鐘和復位集成電路。

由于 ARM  核心只有兩個中斷輸入，最常見的外設就是某種中斷控制器，在外設內部，各組件通過芯片上互聯(lián)總線架構相互連接，對于極大多數(shù)基于ARM的設備而言，這就是標準的 AMBA  互聯(lián)。

AMBA  指定了兩個總線，稱為AXI的高性能系統(tǒng)總線，和稱為APB的低功耗外設總線，APB通常用于連接所有外設，AXI則用于存儲器和其他發(fā)高速設備，大多數(shù)設備都有一定數(shù)量的芯片上存儲以及連接外設存儲器設備的接口，但是注意，與設備的外部連接并不是AMBA總線，這僅在設備內部使用，并不外露。

舉例：Exynos 4412 SCP

下面我們以 三星的Exynos(獵戶座) 4412 SCP為例，來講解這幾個概念。

三星的Exynos 4412 SCP 是一款基于Cortex-A9的SOC;

如下圖所示，Exynos 4412包含了4個Cortex-A9的處理器(核);

Cortex-A9是基于ARMv7-A架構(指令集)的。

由上圖可知，exynos 4412出了包含4個Cortex-A9核，還包括大量的外設控制器：DRAM  Controller、SROM Controller、Camera IF、JPEG、GPS/GLONASS、Power Management、USB  Host、I2C、UART、SPI等。

和三星相同的其他和arm合作的各大廠商通常會把它的CPU和各類外圍IP都放到一起，然后自己拿著圖紙去流片，生產出來的也是一個正方形，下面有很多引腳，這個東西不僅包含了CPU，還包含了其他的控制器，這個東西就叫做SOC(system  on chip)。

如下圖所示，就是三星最終生產的Exynos 4412  ，當然了，光有這個soc還無法運行安卓，還需要借助外圍大量的外設才能最終形成一個完整的系統(tǒng)，但是大部分最復雜的硬件部分模塊都已經集成到了這個soc中。

目前各大廠商所做的事情，就是買來ARM的授權，得到ARM處理器的源代碼，而后自己搞一些外圍IP(或者買或者自己設計)，組成一個SOC后，去流片。不同的SOC，架構不同(就是CPU如何和IP聯(lián)系起來，有的以總線為核心，有的以DDR為核心)。

海思是擁有自主產權的SOC架構。可是，無論任何廠商，再怎么折騰，都沒有怎么動過CPU，ARM核心就好好的呆在那里，那就是中央處理器。

ARM授權

如何來理解ARM授權呢?

就比如我們制造汽車，ARM公司相當于擁有最先進的的'發(fā)動機'設計方案，但是他不'生產發(fā)動機'，而是把設計方案授權給各大'汽車廠商'生產，賺來的錢繼續(xù)研發(fā)更先進的‘發(fā)動機’。

ARM授權分為ARM架構授權、IP核授權、使用層級授權

一個公司若想使用ARM的內核來做自己的處理器，比如ST、蘋果、三星、TI、高通、華為等等，必須向ARM公司購買其架構下的不同層級授權，根據(jù)使用需要購買相應的層級授權。

架構的授權方式有三種：架構層級授權、內核層級授權(ip核授權)、使用層級授權。

1.架構層級授權，是指可以對ARM架構進行大幅度改造，甚至可以對ARM指令集進行擴展或縮減，蘋果就是一個很好的例子，在使用ARMv7-A架構基礎上，擴展出了自己的蘋果swift架構;

2.內核層級授權，是指可以以一個內核為基礎然后在加上自己的外設，比如USART、GPIO、SPI、ADC等等，最后形成了自己的MCU，這種公司很多，比如三星、TI;

3.使用層級授權，要想使用一款處理器，得到使用層級的授權是最基本的，這就意味著你只能拿別人提供的定義好的ip來嵌入在你的設計中，不能更改人家的ip，也不能借助人家的ip創(chuàng)造自己的基于該ip的封裝產品。

因此，如果華為分別拿到架構授權和ip核授權，那么意味著它可以在ARM指令集基礎上根據(jù)需要創(chuàng)建出自己的內核架構，并可添加各種片內外設比如通信接口、顯示器控制接口、GPIO等等，從而生產出自己的“處理器芯片”。

其實就像我寫了一篇文章，我告訴甲，你可以拿去修改后使用，便是架構層級授權，我告訴乙，你可以在你的文章中引用我的文章，便是內核級授權，我告訴丙，你只能對我的文章進行轉發(fā)，不能更改，不能添油加醋，便是使用層級授權。

到此，關于“什么是Cortex、ARMv8、arm架構、ARM指令集、soc”的學習就結束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續(xù)學習更多相關知識，請繼續(xù)關注億速云網站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>