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什么是ARM、Cortex、SOC、ARM架构、ARMv7、ARM指令集？
文章目录
- `什么是ARM、Cortex、SOC、ARM架构、ARMv7、ARM指令集？`
- `主要问题`
- `ARM芯片的由来（Acorn RISC Machine）`
- `ARM公司的发展（Advanced RISC Machines）`
- `ARM内核与架构`
- `ARM内核 & 外设`
- `ARM指令集架构`
- `ARM11之前，的处理器和指令集架构`
- `ARM11之后，处理器和指令集架构`
- `Cortex-A系列（A：Application）：面向应用级任务`
- `Cortex-R系列（R：Real-time）：实时响应能力`
- `Cortex-M系列（M：Microcontroller）：微控制器专用`
- `Cortex-SC系列（SC：SecurCore）：安全为核心`
- `ARM的产品天梯`
- `什么是SOC（System-on-a-Chip）`
- `ARM授权`
- `ARM授权的三个层面`
- `1、架构授权`
- `2、IP核授权`
- `3、使用层级授权`
- `理解比喻`
- `标题问题总结`
- `PS：C51、STM和ARM有什么联系吗（很好奇！！！）`
- `ARM`
- `STM`
- `C51`
- `三者联系`
- `PS：芯片上的STC`
- `PS：CISC & RISC`
- `CISC`
- `介绍`
- `特点`
- `举例`
- `RISC`
- `介绍`
- `特点`
- `举例`
- `如果对你有帮助，就点赞收藏把！(｡･ω･｡)ﾉ♡`
主要问题
ARM到底是什么，搞不清楚ARM、Cortex、SOC、ARM架构、ARMv7、ARM指令集这些概念，都是什么关系？
- ARM一词既代表一家专注于RISC技术芯片设计的公司，又指代一系列微处理器的集合，同时也象征着一种独特的技术理念。
- ARM公司专门从事基于RISC技术芯片设计开发，作为知识产权供应商并不直接涉足芯片制造领域，而是致力于设计许可的授权，让合作伙伴生产各种具特色的产品（芯片），从而推动多样化的发展。
- ARM处理器的核心设计保持一致，由ARM公司提供，而芯片的内部组件则由众多半导体制造商根据自身需求设计，这种模式赋予了ARM架构极大的灵活性和扩展性，使其在满足多样化的应用需求方面独具优势。
ARM芯片的由来（Acorn RISC Machine）
ARM首先是一个公司，即Advanced RISC Machines的缩写。但是他本来并不叫这个名字，来看看ARM公司的成长历史。
追溯到1978年，一位奥地利籍物理学博士Hermann Hauser与他的英国工程师朋友Chris Curry联手，在剑桥创立了一家名为CPU的公司，全称为"Cambridge Processor Unit"，意为“剑桥处理器单元”。初出茅庐的他们，接下了第一个订单——制造赌博机微控制器系统，而且这个微控制器系统被开发出来，并且将其命名为Acorn System 1，意为他们想在电话黄页里排在Apple（苹果）公司的前面。
随后的日子里，Acorn System系列发展迅速，从System 2，System 3，System 4……，还有面向消费者设计的计算机——Acorn Atom
然而，真正的转折点出现在1981年，当英国广播公司BBC提出一项宏大的计划，希望通过电视节目推广电脑普及教育，并期望Acorn能够设计一款配套的电脑。
面对这一挑战与机遇，Acorn意识到了一个问题：产品的硬件设计并不能满足需求，缺乏适应时代潮流的16位处理器。当时的发展潮流是，中央处理器从8位变成16位，然而，Acorn并没有芯片可以做到这一点。
在这个关键时刻，他们向当时的行业巨头英特尔求助，希望能获得80286处理器的设计资料和样品，却遭到了冷酷的拒绝。这一拒绝，反而激发了Acorn自力更生的决心。他们转而寻求创新之路，从美国加州大学伯克利分校汲取灵感，发现了简化指令集这一前沿技术，这正是他们所需要的解决方案。（这剧情有点熟悉！）
最后在Sophie Wilson和Steve Furber这两位剑桥大学的计算机科学家的带领下，前者负责指令集开发，后者负责芯片设计，经过无数日夜的努力，终于设计出了革命性的微处理器，Acorn将此芯片取名为Acorn RISC Machine。
这就是 “ ARM ” 三个字母的由来。
ARM公司的发展（Advanced RISC Machines）
在ARM1之后，Acorn继续推出了一系列后续型号，如ARM2和ARM3。
1990年，为了与苹果公司的达成合作关系，Acorn特别成立了名为ARM的公司，
此时的ARM代表着Advanced RISC Machines，与先前的芯片命名有所区别。
芯片名称：Acorn RISC Machine
公司名称：Advanced RISC Machines
进入90年代，ARM的32位RISC处理器开始在全球范围内崭露头角，尤其在低功耗、低成本且高效的嵌入式系统市场中占据了领先地位。
ARM公司采取了一种独特商业模式，仅出售芯片产权的授权，而非直接生产和销售芯片，这种策略优化了其财务状况，摆脱了现金流的困扰，使公司得以专注于技术研发。
1998年4月17日，随着业务的迅猛增长，ARM公司在伦敦证券交易所和纳斯达克同步上市，进一步巩固了其行业地位。
2007年，iPhone的诞生标志着移动通信的一个新时代，其搭载的ARM架构芯片由三星制造，为智能手机树立了新的标杆。
2008年，谷歌推出的Android（安卓）操作系统同样采用了ARM架构，基于ARM指令集。
智能手机行业的快速发展，也因此奠定了ARM在该领域的霸主地位。
2016年7月18日，日本软银集团宣布以234亿英镑（约310亿美元）的价格收购ARM。
2020年9月14日，英伟达宣布计划以400亿美元从软银手中收购ARM，根据协议，英伟达将向软银公司支付价值215亿美元的英伟达股票，以及120亿美元现金。
然而这一交易遭遇了包括英特尔、高通、特斯拉在内的多家科技巨头的强烈反对，他们担忧此举可能对行业构成负面影响，同时，中国和欧盟的监管机构也可能对此持审慎态度。
截至目前，英伟达计划以400亿美元收购ARM的交易尚未完成，并且面临着多国监管机构的审查。2023年7月，有报道称英国政府正考虑阻止这一收购交易，出于对国家安全的潜在风险。
ARM内核与架构
内核：实际的处理器硬件
架构：指令集的组织结构。
ARM芯片的两大组成部分：ARM内核，外设。
ARM内核 & 外设
ARM内核：涵盖了寄存器组、指令集、总线接口、存储器映射规则、中断处理机制以及调试模块等一系列关键组件。
这些内核由ARM公司精心设计，并通过授权方式提供给各个芯片制造商，而ARM公司自身并不直接生产芯片。
举例来说
Cortex A8和A9是基于ARMv7-A架构设计的高性能处理器；
Cortex M3和M4则采用ARMv7-M架构，
前者是处理器（就是内核），后者是指令集的架构（也简称架构）。
外设：包括定时器、A/D转换器、存储器、I2C接口、UART串口、SPI接口、ROM等，完全由各芯片厂商自己设计并与ARM内核衔接配套。
不同的芯片厂商就有不同的外设，因此构成了数量和规格庞大，种类繁多、功能各异的ARM芯片。
这种灵活的合作模式形成了一个庞大且丰富的ARM芯片生态系统。
ARM指令集架构
指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）是处理器设计中的最重要部分，是CPU功能实现的关键，相当于开启计算能力的密钥
用ARM的术语称之为ISA（Instruction Set Architecture）
对于32位的cpu，这些指令就是一个个32位的01的序列，不同的值就代表了不同的机器指令，cpu的硬件能完美的解析并执行这些指令，比如寻址、运算、异常处理等等。这些动作实质上都被转换成一系列精确的机器指令，由CPU硬件高效执行。
在ARM的世界里，ISA定义了所有与处理器交互的指令，这些指令是32位的二进制代码序列，每个独特的组合对应一种特定的操作，涵盖数据处理、内存访问、异常处理等多种功能。
自1985年ARMv1架构问世以来，ARM的指令集经历持续的完善。至2011年，已发展至第八代的ARMv8架构
Cortex-A系列处理器，包括Cortex-A32/35/53/57/72/73/77/78，均采用了这一先进的ARMv8架构，首次引入64位指令集的处理器架构。
ARM11之前，的处理器和指令集架构
来看看 ARM 家族！！！
| 体系架构 | 处理器家族 |
|---|---|
| ARMv1 | ARM1 |
| ARMv2 | ARM2、ARM3 |
| ARMv3 | ARM6、ARM600、ARM610、ARM7、ARM700、ARM710 |
| ARMv4 | StrongARM、ARM8、ARM810、ARM7-TDMI、ARM9-TDMI |
| ARMv5 | ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale |
| ARMv6 | ARM11 |
ARM11芯片之前，每一个芯片对应的架构关系，如上表所示
最初的ARM处理器从ARM1开始，一直到ARM6，主要基于ARMv1至ARMv3架构。
这些早期的处理器虽然功能相对简单，但奠定了ARM架构的基础，特别是ARM2和ARM250，它们在当时具有革命性的性能表现。
ARM11之后，处理器和指令集架构
下面来看看 Contex 家族吧！！！
| 系列 | 子系列 | 架构 | 主要应用领域 | 特点描述 |
|---|---|---|---|---|
| ARM Cortex-A | Cortex-A5 | ARMv7 | 低成本设备 | 早期入门级应用处理器 |
| Cortex-A7 | ARMv7 | 低成本、低功耗设备 | 高效能应用处理器 | |
| Cortex-A8 | ARMv7 | 智能手机和平板电脑 | 高效率应用处理器 | |
| Cortex-A9 | ARMv7 | 智能手机和平板电脑 | 多核应用处理器 | |
| Cortex-A15 | ARMv8-A | 高端移动设备 | 高性能应用处理器 | |
| Cortex-A17 | ARMv8-A | 高端移动设备 | 改进型处理器，性能和能效更优 | |
| Cortex-A53 | ARMv8-A | 移动设备和消费级设备 | 能效设计，支持32位和64位 | |
| Cortex-A57 | ARMv8-A | 移动设备和消费级设备 | 专注于高性能，支持64位 | |
| Cortex-A72 | ARMv8-A | 高端智能手机等设备 | 提供高性能 | |
| Cortex-A73 | ARMv8-A | 移动设备和消费级设备 | 提供更高的能效比 | |
| Cortex-A76 | ARMv8-A | 高性能计算 | 采用Dynamiq技术 | |
| ARM Cortex-R | Cortex-R4 | ARMv7 | 嵌入式实时应用，如硬盘驱动控制器 | 面向实时应用 |
| Cortex-R5 | ARMv7 | 汽车和工业控制 | 扩展功能集，更高级别系统性能和可靠性 | |
| Cortex-R7 | ARMv7 | 高级实时应用 | 性能最高，适用于高性能实时SoC | |
| ARM Cortex-M | Cortex-M0 | ARMv6m | 低成本、低功耗应用 | 超低功耗微控制器 |
| Cortex-M0+ | ARMv7-M | 低成本、低功耗应用 | 进一步优化能效和成本 | |
| Cortex-M3 | ARMv7-M | 广泛的嵌入式应用 | 平衡性能和功耗 | |
| Cortex-M4 | ARMv7-M | 嵌入式应用 | 集成DSP功能的高性能微控制器 | |
| Cortex-M7 | ARMv7-M | 需要高计算能力的应用 | 高性能微控制器 | |
| ARM Cortex-SC | Cortex-SC | ARMv8-A | 政府安全芯片 | 主打安全的处理器 |
ARM11芯片之后，也就是从ARMv7架构开始，ARM的命名方式有所改变。
新处理器系列，改以Cortex命名，并分为三个系列，分别是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M。
恰巧，又是A、R、M这三个字母。
另外还有一个系列——Cortex-SC系列。
Cortex-A系列（A：Application）：面向应用级任务
Cortex-A系列处理器，如Cortex-A8、A9、A15等，是专为需要 强大计算能力 和 丰富操作系统 的设备而生
常见于智能手机、平板电脑、车载娱乐系统、数字电视、智能本、电子阅读器以及家庭网络设备等。
它们能够提供卓越的性能和图形处理能力，满足复杂的计算和多媒体需求。
Cortex-R系列（R：Real-time）：实时响应能力
Cortex-R系列，例如Cortex-R4、R5和R7，适用于必须快速响应的 实时操作系统 环境。
这些处理器常见于汽车制动系统、动力传输解决方案和大容量存储控制器等深层嵌入式实时应用，确保关键任务能够即时执行。
Cortex-M系列（M：Microcontroller）：微控制器专用
Cortex-M系列，如Cortex-M0、M3、M4等，专注于 微控制器领域 ，特别适合对 成本和能耗有严格要求 的应用场景。
广泛应用于智能计量、人机界面设备、汽车系统、家用电器、消费电子产品以及医疗设备等，提供高效且可靠的控制功能。
Cortex-SC系列（SC：SecurCore）：安全为核心
Cortex-SC系列，主打安全，是专为政府安全芯片等高安全需求应用而设计的处理器，保障数据的安全性和完整性。
ARM的产品天梯
ARM11系列：ARM11MPCore处理器、ARM1176处理器、ARM1156处理器、ARM1136处理器，它们是基于ARMv6架构。
ARM Cortex-A5/A7/A8/A9/A15处理器隶属于Cortex-A系列，基于ARMv7-A架构。
Cortex-A53/A57两款处理器属于Cortex-A50系列，首次采用64位ARMv8架构。
ARMv8.6-A架构：这是在2020年左右推出的，用于一些中高端处理器设计
2020年ARM发布了一款全新的CPU架构Cortex-A78，是基于ARMv8.2指令集
ARMv9架构：从2021年开始，ARM推出了基于ARMv9架构的处理器核心，这是一个重要的更新，引入了新的安全特性和性能改进。
ARMv9.2架构：在2022年之后，ARM继续演进其架构，推出了ARMv9.2版本，进一步优化了性能和能效。
2023年更新了其移动处理器核心设计，包括Cortex-X4、A720和A520，这些核心均基于Arm v9.2架构。
什么是SOC（System-on-a-Chip）
SOC，全称为System-on-a-Chip，直译为“片上系统”，将复杂电路系统集成到一个芯片上。
在SoC上，多个关键组件被封装在一起，尽管外观上只是一个芯片，但实际上包含了CPU、GPU、内存等核心组件。
常见的如高通801、麒麟950、三星Exynos 4412和A6等，都只是系统部件打包封装（SoC）后的总称。
各家的打包封装的内容则种类繁多，原因也各式各样。
ARM架构的SoC设计包含多个组件，其中大部分组件并非直接来自ARM。
例如，CPU核心通常深藏于芯片内部，对外只暴露调试端口，调试端口通常是唯一和核心本身相连的外露部分
此外，还有一些必要的逻辑，如时钟和复位电路，与核心相连。
由于ARM核心仅提供两个中断输入，最常见的外设就是某种中断控制器。
在外设内部，各组件通过芯片上互联总线架构相互连接，对于极大多数基于ARM的设备而言，这就是标准的 AMBA 互联。
在SoC内部，组件之间通过一种互联总线架构相互连接，称为高级多媒体总线架构（AMBA）
AMBA定义了两种总线：
AXI（Advanced eXtensible Interface）用于高速设备间的连接，用于存储器和其他发高速设备
APB（Advanced Peripheral Bus）则用于连接各种外设。
大多数设备都有一定数量的芯片上存储以及连接外设存储器设备的接口
需要注意的是，尽管SoC内部使用AMBA总线进行通信，但它并不直接暴露给外部设备
即与设备的外部连接并不是AMBA总线，这仅在设备内部使用，并不外露。
ARM授权
理解ARM授权的方式可以类比于汽车制造业中的发动机技术授权。
ARM公司掌握了先进的“发动机”设计方案，但它选择不直接生产发动机，而是将其设计理念和技术图谱授权给众多“汽车制造商”。
这些制造商根据自身需求，购买相应的授权来打造各自品牌的汽车，同时向ARM支付费用以支持其持续的研发活动。
ARM授权的三个层面
主要分为三个层面：架构授权、IP核授权和使用层级授权。
一个公司若想使用ARM的内核来做自己的处理器
比如ST、苹果、三星、TI、高通、华为等等
必须向ARM公司购买其架构下的不同层级授权，根据使用需要购买相应的层级授权。
1、架构授权
这种授权允许公司对ARM架构进行大幅度的定制化改造，甚至可以对ARM指令集进行扩展或缩减。
以苹果为例，它在ARMv7-A架构的基础上进行了大幅修改，衍生出了自家的Swift架构。
2、IP核授权
持有此授权的公司可以利用ARM内核，并结合自己的外围设备，如USART、GPIO、SPI、ADC等，来设计自己的MCU。
三星、德州仪器（TI）等公司便是通过这种方式，将ARM内核与其他自有的功能模块结合，创造出独特的处理器解决方案。
3、使用层级授权
这是最基本的授权形式，意味着公司只能使用ARM提供的处理器设计，不得对其进行修改或基于此设计开发新的产品。
这意味着只能拿ARM提供的定义好的ip来嵌入在你的设计中，不能更改ip，也不能借助ip创造自己的基于该ip的封装产品
例如：华为获得了架构授权和IP核授权
那就意味着它可以基于ARM指令集创建自己的内核架构，并为其增添各种片上外设
如通信接口、显示控制接口、通用输入输出（GPIO）等，从而打造出独立的“处理器芯片”。
理解比喻
以文学创作作比，若我撰写了一篇文章，
我允许甲对其进行修改后使用，这相当于架构层级授权；
我允许乙在其作品中引用我的文章，这类似于内核级授权；
而我告诉丙只能转发我的文章，不能做任何修改或增补，则是使用层级授权的体现。
标题问题总结
ARM：公司的名字——Advanced RISC Machines
ARM：Acorn公司（ARM公司前身）设计的第一款微处理器——Acorn RISC Machine
ARM：ARM处理器名字，以前叫ARM1，ARM2 …… ARM11
Cortex：ARM11后改名Cortex，分别是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M，合一起又是ARM，以及Cortex-SC
ARM架构：即ARM指令集，每个处理器都需要依赖一定的ARM架构来设计，比如ARMv7、ARMv8
SOC：各大厂商购买ARM的授权，获得ARM处理器的源代码，而后设计外围设备的IP，组成一个SOC
PS：C51、STM和ARM有什么联系吗（很好奇！！！）
STM、C51和ARM是三种不同的 微控制器 或 微处理器体系结构 ，它们各自有不同的特点和用途
ARM
ARM是一种广泛使用的处理器架构，以其低功耗和高效率而闻名
ARM架构的微控制器和处理器在全球市场上非常普遍，被用于从简单的传感器到复杂的服务器等多种设备
ARM提供了一系列的处理器核心，如，Cortex-A系列，Cortex-R系列，Cortex-M系列
ARM架构的微控制器因其高效的能源管理和强大的性能而被广泛采用
STM
STM通常指的是意法半导体（
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STMicroelectronics
STMicroelectronics）生产的微控制器，这是一家全球知名的半导体制造商
STM32系列 是该公司非常流行的 基于ARM Cortex-M架构 的微控制器产品线
STM32系列微控制器通常使用 ARM Cortex-M0、M3、M4 或 其他变种 作为核心
这意味着它们 遵循ARM架构的指令集和设计原则
C51
C51通常指的是 8051架构 的微控制器，这是一种非常古老的、由
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Intel
Intel 最初开发的微控制器架构
8051架构的微控制器因其 简单性 和 可靠性 而在工业控制等领域广泛使用
许多公司生产基于8051架构的微控制器
如
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Atmel
Atmel（现为
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Microchip Technology
MicrochipTechnology的一部分）、
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Philips
Philips（现为
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NXP）、
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Dallas
Dallas（现为
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Maxim Integrated
MaximIntegrated）等
C51是8051的一种特定型号，具有固定的指令集和有限的内存访问能力
三者联系
STM、ARM 是微控制器的制造商和架构提供商
C51 是一种基于8051架构的微控制器类型
ARM 是一个广泛的架构家族，包括多种类型的处理器核心
STM 可以使用ARM架构（如STM32系列），也可以使用其他架构（如STM8系列，意法半导体独有的架构）
C51 是基于8051架构的微控制器，与ARM和STM没有直接的联系
在现代嵌入式系统中
ARM架构 因其先进性和广泛应用而越来越受欢迎
8051架构 因其成熟稳定而在某些特定应用中仍然占有一席之地
PS：芯片上的STC
STC指的是“Scientific and Technological Changsha Institute”，即长沙科学技术研究院
这是一家中国的半导体公司，专门从事集成电路和微电子产品的研发。
这家公司在微控制器和相关电子设备领域有一定的知名度。
PS：CISC & RISC
CISC
复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）
是一种计算机处理器设计哲学，它与RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）相对。
介绍
CISC设计的理念是在处理器中包含大量的指令，每条指令可以执行复杂的功能，如读取、处理和存储数据等
这种设计初衷是为提高编程效率，但由于指令集复杂，导致处理器设计和制造更为复杂，且功耗和热量产生通常较高。
特点
1. 复杂的指令集：CISC处理器包含大量指令，每条指令可以执行多种操作，这增加了指令的复杂性。
2. 集成度高：CISC处理器通常集成了更多的功能，以支持其复杂的指令集，这可能导致更高的功耗和热量产生。
3. 硬件优化：CISC处理器依赖于硬件来执行复杂的操作，这意味着它们可能需要更复杂的电路设计。
4. 编译器挑战：由于指令集复杂，编译器需要优化以确保有效利用这些指令，这对编译器的设计提出了挑战。
举例
Intel的x86架构是CISC设计的一个典型例子，从早期的8086到现代的Core和Xeon处理器，都体现了这一设计理念。
CISC架构在个人电脑和服务器市场中占据主导地位，尤其是在需要高性能计算的环境中。
随着技术的进步，CISC处理器也在不断地提高能效和集成度，以适应现代计算需求。
尽管面临来自RISC架构的竞争，CISC仍然在某些领域保持着优势，特别是在需要高性能和兼容性的应用场景中。
RISC
精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）
是一种计算机处理器设计哲学，它与CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）相对。
介绍
RISC设计的核心思想是简化指令集，使得处理器可以更高效地执行指令
RISC处理器通常只需要较少的指令来完成基本的操作，而且这些指令相对简单，易于执行。
这种设计有助于提高处理器的速度和效率
减少了每条指令的执行周期数，加快了数据处理速度，并降低了处理器的复杂性。
特点
1. 简化的指令集：RISC处理器的指令集通常较小，每条指令的功能较为简单，这样可以减少指令的平均执行时间，提高指令执行的效率。
2. 流水线技术：RISC设计常常采用流水线技术，允许多条指令同时执行，提高了指令的吞吐量。
3. 高级编译器优化：由于指令集的简化，RISC处理器依赖于高级编译器来进行代码优化，以确保程序的高效执行。
4. 软件和硬件的平衡：RISC架构倾向于让软件承担一些原本由硬件完成的任务，这样可以减少硬件的复杂性，同时通过软件的灵活性来提高性能。
举例
ARM处理器是RISC设计的一个著名例子。
ARM架构最初是为了低功耗和低成本而设计的，它的指令集非常精简，适合于移动设备和嵌入式系统。
随着技术的发展，ARM处理器已经变得越来越强大，广泛应用于各种设备，包括智能手机、平板电脑和服务器等。
ARM的设计理念强调能效比，使得它们在电池供电的设备中尤其受欢迎，这些设备需要长时间运行而不需要频繁充电。
此外，ARM的授权模式也促进了其在不同行业和产品中的广泛应用，许多公司获得ARM架构的授权，并在此基础上展开设计。
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