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低功耗受热捧,ARM内核全分析

发布时间:2019-07-28 09:58编辑:服务器网络浏览(128)

    近日,ARM公司宣布推首款64位的ARMv8架构的处理器,这对于ARM公司是一个足以载入芯片发展史册的日子,其在全球三地同时宣布将推出公司首款64位的ARMv8架构处理器,进一步扩大ARM在高性能与低功耗领域的领先地位。ARM公司在原有的生态系统中以前所未有的创新速度推动多元化平台,开启计算技术的转型时代。

    转自:

    姓名:吴兆阳  学号:14020199009

      总是有人在说,我是搞ARM的,到底是说的ARM架构还是ARM系列,这点要搞清楚!

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    前不久ARM正式宣布推出新款ARMv8架构的Cortex-A50处理器系列产品,以此来扩大ARM在高性能与低功耗领域的领先地位,进一步抢占移动终端市场份额。Cortex-A50是继Cortex-A15之后的又一重量级产品,将会直接影响到主流PC市场的占有率。围绕该话题,我们今天不妨总结一下近几年来手机端较为主流的ARM处理器。

    转自吴白

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    你对过去知道的越多,对未来就看的越远。

    此次发布64位处理器标志着ARM公司从移动设备进军基础设施与服务器,全面支持消费者移动互联的生活方式。这将为ARM公司的市场扩展与用户体验革新提供无限商机。

     

    嵌牛导读:ARM(Advanced RISC Machines)是微处理器行业的一家知名企业。设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。1985年,第一个ARM原型在英国剑桥诞生。ARM公司的特点是只设计芯片,而不生产。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商,每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系,ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。

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    1.引言

    近年来,智能手机与平板电脑已成为人们主要的计算设备,移动设备的计算的能力已经成为带动整个计算领域的关键要素。ARM公司在过去五年间中,举得了令人瞩目的成绩,其将智能手机性能提高了15倍之多,并改变了用户使用设备的方式。此次发布的Cortex-A50处理器系列产品能够从32位无缝转换至64位执行状态,依然能够支持现有的32位应用程序,并且提供了64位的高可扩展性,以满足移动计算终端客户与未来智能手机的发展需求。

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    嵌牛鼻子:ARM

      在Dock看来,ARM有两个概念,ARM架构、ARM系列,不同的架构,不同的系列在性能、功耗、尤其是价格方面有着很大的不同。

    当关于前段时间小米在北京发布了它的首款自研芯片--松果澎湃S1处理器性能讨论的余音还尚未离去,当华为时下热销的旗舰手机P10正遭遇“疏油层”和“闪存门”而饱受花粉的争议时,我们的雷布斯又马不停蹄的在前几天发布了称之为性能怪兽的米6,老王感慨,互联网针对手机的话题真的是从来没有沉寂过,它们总能给我等屌丝茶余饭后提供有趣的议题。而这些话题的主角无疑都是手机。

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    嵌牛提问:ARM具体提示什么?

    1. ARM公司

      ARM(Advanced RISC Machine)公司作为半导体行业最为著名的公司,你不能不知道。详情看度娘ARM。
    下面我们重点说架构系列两个概念。

    手机提供给了我们多样化生活,它让我们随时随地和世界保持连接,就象呼吸空气一样平常。我们每天起来第一件事就是打开手机,晚上睡前最后一件事是放下手机。几分钟不点开微信,知乎,游戏,就如同自己被世界遗忘了,或自己遗忘了世界,我们无时无刻不在刷手机,公交地铁里、上班开会时、吃饭闲聊中……如果我们不得不离开一段时间,那回来之后第一件事就是急不可耐的看看手机有没有新的消息。

    移动计算促使数据爆炸增长

       以由高到低的方式来看,ARM处理器大体上可以排序为:Cortex-A57处理器、Cortex-A53处理器、Cortex-A15处理器、Cortex-A12处理器、Cortex-A9处理器、Cortex-A8处理器、Cortex-A7处理器、Cortex-A5处理器、ARM11处理器、ARM9处理器、ARM7处理器,再往低的部分手机产品中基本已经不再使用,这里就不再介绍。

    嵌牛正文:

    2. ARM架构

      ARM架构指的就是这颗芯片内核所用的指令集的版本。C 语言还有C 10C 11版本之说,更何况内核呢?

      最为显著的就是总线宽度。"Thumb指令集"为16位,"ARM指令集"为32位,以及"ISA指令集"为64位。这也就从根本上区分了每一个ARM内核有所不同。当然ARM还有很多很多不同的拓展功能,如Java加速器-JazelleTrustZone技术SIMD等,这些不同的组合就组成了不同的ARM架构。

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    另一方面,移动计算的发展使得云服务与网络互联的基础架构发生改变。智能移动设备的爆炸性增长,应用服务的层出不穷,使得数据内容的产生与消费大量增加,数据成倍增加,预计将于2020年达到120艾字节(为现今八倍以上 )。如果企业继续沿用现有技术,无缝式移动生活方式将对网络及数据中心基础设施带来极大考验,Cortex-A50处理器系列针对这些难题所设计,将提供未来基础设施所需的节能解决方案。经过强化的32位执行能力将有益于32位云端服务器应用,而64位执行能力则扩展了ARM解决方案的适用性,进而促成网络互联、服务器及高性能计算方面的新商机。

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    指令集体系结构

    2.1 ARMv4 ARMv5 ARMv6 ARMv7

      这是市面上最老的ARM架构版本了。只支持32位地址空间,ARM7系列的一些芯片用到了这个指令集。

      ARMv5相较于v4架构增加了DSP指令优化。

      ARMv6 在存储系统、异常处理等方面做了很多改进,最为重要的是增加了对多媒体处理的支持。

      ARMv7增加了NEON GPU多媒体处理支持,将DSP和媒体处理能力提高了近四倍,并且支持改良的浮点运算。满足下一代3D图形应用的需求,也就是从v7开始,ARMv7架构的处理器芯片开始应用于智能终端设备。

    看似我们和手机亲密无间,但是我们真正了解它吗?或者说真正了解带给我们这一切多样化生活的幕后英雄吗?说到这个幕后英雄,大家应该都不陌生-处理器。无论手机厂商发布哪一款手机,我们第一时间都会去扒一扒它的内芯SoC,而说起手机芯片厂商,相信大家第一时间会想起高通、三星、联发科、海思以及当前红极一时的松果等,而无论是哪一家都要受益于顶级幕后推手-ARM公司,因为他们的手机芯片均是基于ARM的指令集,采用ARM的公版内核架构,亦或者是基于ARM的指令集自研架构。

    ARM公司一直致力于设计先进的数字产品核心应用技术,应用领域从无线、网络和消费娱乐解决方案到影像、汽车电子、安全应用及存储装置等,而对于新发布的ARMv8处理器相信有很多人还有很多疑问,下面笔者为大家一一解开谜团。

    ARM 处理器架构发展

    ARM公司目前定义了8种主要的指令集体系结构版本。V1-V8。(所以ARMv6是指指令集版本号)。 即:ARM architecture

    2.2 ARMv8

      2011年11月,ARM公司发布了新一代处理器架构ARMv8的部分技术细节。这是ARM公司的首款支持64位指令集的处理器架构。但其支持AArch32 AArch64两套指令集,为的就是向前兼容32位的应用。

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    ...

    ● Cortex-A57、A53处理器

       Cortex-A53、Cortex-A57两款处理器属于Cortex-A50系列,首次采用64位ARMv8架构,意义重大,这也是ARM最近刚刚发布的两款产品。

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       Cortex-A57是ARM最先进、性能最高的应用处理器,号称可在同样的功耗水平下达到当今顶级智能手机性能的三倍;而Cortex-A53是世界上能效最高、面积最小的64位处理器,同等性能下能效是当今高端智能手机的三倍。这两款处理器还可整合为ARM big.LITTLE(大小核心伴侣)处理器架构,根据运算需求在两者间进行切换,以结合高性能与高功耗效率的特点,两个处理器是独立运作的。

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       应用案例:预计于2014年推出。

     

    ARMv1:

    2.3 拓展

      有时候我们又能看到ARMv5TEJ等词汇,这又是什么意思,后面的每一个字母代表一种拓展功能。如 T-Thumb指令集、E-增强型DSP指令 J-Java加速器。

    作为混迹于IT行业的码农们,我想大家肯定都或多或少的知道arm处理器,然而你对ISA指令集,处理器微架构、ARM处理器的家族分类了解吗?绝大多数的码农肯定是一脸懵逼的。

    ● Cortex-A15处理器架构解析

       ARM Cortex-A15处理器隶属于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架构,是业界迄今为止性能最高且可授予许可的处理器。

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       Cortex-A15 MPCore处理器具有无序超标量管道,带有紧密耦合的低延迟2级高速缓存,该高速缓存的大小最高可达4MB。浮点和NEON媒体性能方面的其他改进使设备能够为消费者提供下一代用户体验,并为 Web 基础结构应用提供高性能计算。Cortex-A15处理器可以应用在智能手机、平板电脑、移动计算、高端数字家电、服务器和无线基础结构等设备上。

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       理论上,Cortex-A15 MPCore处理器的移动配置所能提供的性能是当前的高级智能手机性能的五倍还多。在高级基础结构应用中,Cortex-A15 的运行速度最高可达2.5GHz,这将支持在不断降低功耗、散热和成本预算方面实现高度可伸缩的解决方案。

       应用案例:三星Exynos 5250。三星Exynos 5250芯片是首款A15芯片,应用在了最近发布的Chromebook和Nexus 10平板电脑上面。Exynos 5250的频率是1.7GHz,采用32纳米的HKMG工艺,配备了Mali-604 GPU,性能强大。另外据传三星下一代Galaxy S4将会搭载四核版的Exynos 5450芯片组,同样应用Cortex-A15内核。另外NVIDIA Tegra 4会采用A15内核。

     

    该版本的原型机是ARM1,没有用于商业产品。

    3. ARM系列

      在相同的指令集下,搭配不同的部件就可以组成不同的功能的处理器。比如有无内存管理,有无调试功能等。

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    ● Cortex-A12处理器架构解析

    2013中旬,ARM 发布了全新的Cortex-A12处理器,在相同功耗下,Cortex-A12的性能上比Cortex-A9提升了40%,同时尺寸上也同样减小了30%。Cortex-A12也同样能够支持big.LITTLE技术,可以搭配Cortex-A7处理器进一步提升处理器的效能。

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    Cortex-A12架构图

    ARM表示Cortex-A12处理器未来将应用于大量的智能手机以及平板产品,但更加侧重于中端产品。同时ARM也预计在2015年,这些中端产品在数量上将远超过旗舰级别的智能手机及与平板。

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    搭载Cortex-A12处理器的中端机在未来也将是非常有特点的产品,因为Cortex-A12能够支持虚拟化、AMD TrustZone技术,以及最大1TB的机身存储。这也就意味着未来搭载这一处理器的智能手机完全可以作为所谓的BYOD(Bring Your Own Device)设备使用,换句话说就是在作为自用手机的同时,还可以用作商务手机存储商务内容。

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    Mali-V500架构图

    同时Cortex-A12也搭载了全新的Mali-T622绘图芯片与Mali-V500视频编解码IP解决方案,同样也是以节能为目标。这样看来,定位中端市场,低功耗小尺寸,Cortex-A12最终必然会取代Cortex-A9。据悉,Cortex-A12将于2014年投放市场,到时候我们也许会迎来中端市场的一次改变。

    应用案例:2014年发布。

     

    ARMv2:

    3.1 ARM7-11

      ARM7 - ARM11是比较老的一些处理器器了。其主要的分别大致如下:

    • ARM7是低功耗的32位处理器,主要特点是没有MMU(内存管理),如果有人给你说他用ARM7跑系统,你就可以呵呵了。
    • 相较于ARM7,增加了MMU和Cache,指令集执行效率相比于ARM7有很大提高,最高可达300MIPS。
    • ARM11,基于ARMv6指令集架构,在实时性和浮点处理方面有很大提高。

    今天老王就带大家通过讲解ARM以及相关的技术背景点来揭开这些知识谜底,话说以后出去装X就靠它了!否则当外行们问起关于ARM处理器的相关技术点而无法从容应答的时候,我等屌丝该如何面对码农这等高大上的职业呢?

    ● Cortex-A9处理器架构解析

       ARM Cortex-A9处理器隶属于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架构,目前我们能见到的四核处理器大多都是属于Cortex-A9系列。

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       Cortex-A9 处理器的设计旨在打造最先进的、高效率的、长度动态可变的、多指令执行超标量体系结构,提供采用乱序猜测方式执行的 8 阶段管道处理器,凭借范围广泛的消费类、网络、企业和移动应用中的前沿产品所需的功能,它可以提供史无前例的高性能和高能效。

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       Cortex-A9 微体系结构既可用于可伸缩的多核处理器(Cortex-A9 MPCore多核处理器),也可用于更传统的处理器(Cortex-A9单核处理器)。可伸缩的多核处理器和单核处理器支持 16、32 或 64KB 4 路关联的 L1 高速缓存配置,对于可选的 L2 高速缓存控制器,最多支持 8MB 的 L2 高速缓存配置,它们具有极高的灵活性,均适用于特定应用领域和市场。

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       应用案例:德州仪器OMAP 4430/4460、Tegra 2、Tegra 3、新岸线NS115、瑞芯微RK3066、联发科MT6577、三星 Exynos 4210、4412、华为K3V2等。另外高通APQ8064、MSM8960、苹果A6、A6X等都可以看做是在A9架构基础上的改良版本。

     

    对V1版进行了扩展,包含了对32位结果的乘法指令和协处理器指令的支持。

    3.2 ARM-Cortex

      在ARM11以后,ARM就不再以数字进行ARM处理器系列进行区分,而是使用Cortex进行命名。主要区分为一下三个系列:

    • Cortex-A 和 Cortex-A50 系列 - 面向开放式操作系统的高性能处理器。
    • Cortex-R 系列- 面向实时应用的卓越性能。
    • Cortex-M 系列 - 面向具有确定性的微控制器应用的成本功耗敏感型解决方案。

      ARM Cortex-A 内核基于ARMv7-A架构,基本上都可以支持ARM、Thumb-2、Thumb指令集、Java加速扩展的Jazelle技术、ThustZone的安全扩展、针对浮点FPU的VFP硬件扩展、DSP & SIMD 扩展、并行多数据SIMD的NEON多媒体处理器扩展、主流的嵌入式OS(Linux、Android、Windows Mobile、Windows Phone、Symbian)、以及支持分支预测branch prediction。但各处理器在VFP/NEON的类型、半精度浮点(16-bit half precision floating-point)的支持、多核MPCore、流水线pipeline、单MHz处理性能、L1/L2 cache控制器、乱序执行、指令dual-issue并发等方面有略有不同。

      Cortex-R系列的内核接触不多,主要用于实时控制领域。我所知道的在Xilinx的MPSOC芯片中就使用了两颗R-5内核作为对A-9内核的实时增强。

      Cortex-M处理器家族更多的集中在低性能端,但是这些处理器相比于许多微控制器使用的传统处理器性能仍然很强大。例如,Cortex-M4和Cortex-M7处理器应用在许多高性能的微控制器产品中,最大的时钟频率可以达到400Mhz。如我们最熟悉的Stm32就是基于Cortex-M系列处理器。

    就像多年前朋友让老王帮忙攒一台能打LOL的台式机电脑的时候,当时我竟无言以对,然后匆忙从网上到处去现扒相关的资料。虽然我很想说哥虽然是学计算机的,但是攒机真的是另外一门学问好不好,个中滋味我想大家应该能理解。

    ● Cortex-A8处理器架构解析

       ARM Cortex-A8处理器隶属于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架构,是我们目前使用的单核手机中最为常见的产品。

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       ARM Cortex-A8处理器是首款基于ARMv7体系结构的产品,能够将速度从600MHz提高到1GHz以上。Cortex-A8处理器可以满足需要在300mW以下运行的移动设备的功率优化要求;以及需要2000 Dhrystone MIPS的消费类应用领域的性能优化要求。

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       Cortex-A8 高性能处理器目前已经非常成熟,从高端特色手机到上网本、DTV、打印机和汽车信息娱乐,Cortex-A8处理器都提供了可靠的高性能解决方案。

       应用案例:MYS-S5PV210开发板、TI OMAP3系列、苹果A4处理器(iPhone 4)、三星S5PC110(三星I9000)、瑞芯微RK2918、联发科MT6575等。另外,高通的MSM8255、MSM7230等也可看做是A8的衍生版本。

     

    ARMv3:

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    ● Cortex-A7处理器架构解析

       ARM Cortex-A7处理器隶属于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架构,它的特点是在保证性能的基础上提供了出色的低功耗表现。

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       Cortex-A7处理器的体系结构和功能集与Cortex-A15 处理器完全相同,不同这处在于,Cortex-A7 处理器的微体系结构侧重于提供最佳能效,因此这两种处理器可在big.LITTLE(大小核大小核心伴侣结构)配置中协同工作,从而提供高性能与超低功耗的终极组合。单个Cortex-A7处理器的能源效率是ARM Cortex-A8处理器的5倍,性能提升50%,而尺寸仅为后者的五分之一。

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       作为独立处理器,Cortex-A7可以使2013-2014年期间低于100美元价格点的入门级智能手机与2010 年500美元的高端智能手机相媲美。这些入门级智能手机在发展中世界将重新定义连接和Internet使用。

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       应用案例:全志Cortex-A7四核平板芯片,联发科刚刚发布的MT6589。

     

    ARM公司第一个微处理器ARM6核心是版本3的,它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU。

    而对于我们职场的嵌入式码农君们来说,深层次的了解ARM无疑对嵌入式开发有很大的裨益,比如在立项的时候针对不同的产品形态,我们可以更快,更好的进行芯片选型,做到物尽其用。

    ● Cortex-A5处理器架构解析

       ARM Cortex-A5处理器隶属于Cortex-A系列,基于ARMv7-A架构,它是能效最高、成本最低的处理器。

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       Cortex-A5处理器可为现有ARM9和ARM11处理器设计提供很有价值的迁移途径,它可以获得比ARM1176JZ-S更好的性能,比ARM926EJ-S更好的功效和能效。另外,Cortex-A5处理器不仅在指令以及功能方面与更高性能的Cortex-A8、Cortex-A9和Cortex-A15处理器完全兼容,同时还保持与经典ARM处理器(包括ARM926EJ-S、ARM1176JZ-S和 ARM7TDMI)的向后应用程序兼容性。

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       应用案例:高通MSM7227A/7627A(新渴望V、摩托罗拉XT615、诺基亚610、中兴V889D、摩托罗拉DEFY XT等)、高通MSM8225/8625(小辣椒双核版、华为U8825D、天语 W806 、innos D9、酷派7266等)、米尔 MYD-SAMA5D3X系列开发板(MYD-SAMA5D31、MYD-SAMA5D33、MYD-SAMA5D34、MYD-SAMA5D35)。

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    MYD-SAMA5D3X开发板

     

    ARMv4:

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    ● ARM11系列处理器架构解析

       ARM11系列包括了ARM11MPCore处理器、ARM1176处理器、ARM1156处理器、ARM1136处理器,它们是基于ARMv6架构,分别针对不同应用领域。ARM1156处理器主要应用在高可靠性和实时嵌入式应用领域,与手机关联不大,此处略去介绍。

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       ARM11 MPCore使用多核处理器结构,可实现从1个内核到4个内核的多核可扩展性,从而使具有单个宏的简单系统设计可以集成高达单个内核的4倍的性能。Cortex-A5处理器是ARM11MPCore的相关后续产品。

       ARM1176处理器主要应用在智能手机、数字电视和电子阅读器中,在这些领域得到广泛部署,它可提供媒体和浏览器功能、安全计算环境,在低成本设计的情况下性能高达1GHz。

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       ARM1136处理器包含带媒体扩展的ARMv6 指令集、Thumb代码压缩技术以及可选的浮点协处理器。ARM1136是一个成熟的内核,作为一种应用处理器广泛部署在手机和消费类应用场合中。在采用 90G工艺时性能可达到600MHz以上,在面积为2平方毫米且采用65纳米工艺时可达到1GHz。

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       应用案例:高通MSM7225(HTC G8)、MSM7227(HTC G6、三星S5830、索尼爱立信X8等)、Tegra APX 2500、博通BCM2727(诺基亚N8)、博通BCM2763(诺基亚PureView 808)、 Telechip 8902(平板电脑)。

     

    当前应用最广泛的ARM指令集版本。

    好了,说了这么多,终于引出我们今天课堂上要讨论的话题:让我们一起来扒一扒ARM处理器的前世今生。今天的课主要是讲讲ARM处理器的发展以及处理器相关的概念知识点。不会有过多的技术性论证,所以大家可以轻松活跃些。“狗蛋,虽然老师说了这节课不会涉及太多的技术论证,但是并不代表你们某些同学就可以打酱油哈,要知道老师的每节课都是为后面的知识做铺垫的,要想跟着老师一起飞,一定要凝神定气,打起十二分精神,OK,Everybody坐好了,我们要飞了!”

    ● ARM9系列和ARM7系列处理器架构解析

       ARM9系列处理器系列包括ARM926EJ-S、ARM946E-S和 ARM968E-S处理器。其中前两者主要针对嵌入式实时应用,我们这里就主要针对ARM926EJ-S进行介绍。

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       ARM926EJ-S基于ARMv5TE架构,作为入门级处理器,它支持各种操作系统,如Linux、Windows CE和Symbian。ARM926EJ-S 处理器已授权于全球100多家硅片供应商,并不断在众多产品和应用中得到成功部署,应用广泛。

       应用案例:TI OMAP 1710。诺基亚N73、诺基亚E65、三星SGH-i600等手机采用的都是该处理器,以及包括米尔科技的 MYS-SAM9X5 系列工控开发板。

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    ARM9 开发板

     

    ARM7TDMI、ARM720T、ARM9TDMI、ARM940T、ARM920T、Intel的StrongARM等是基于ARMv4T版本。

    2.今生ARM的大动作

    ● ARM7系列处理器

       ARM7系列处理器系列包括ARM7TDMI-S(ARMv4T架构)和ARM7EJ-S(ARMv5TEJ架构),最早在1994推出,相对上面产品来说已经显旧。虽然现在ARM7处理器系列仍用于某些简单的32位设备,但是更新的嵌入式设计正在越来越多地使用最新的ARM处理器,这些处理器在技术上比ARM 7系列有了显著改进。

     

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       作为目前较旧的一个系列,ARM7处理器已经不建议继续在新品中使用。它究竟有多老呢?上面的Apple eMate 300使用的就是一款25MHz的ARM7处理器,够古老了吧?

    ARMv5:

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    ARM9E-S、ARM966E-S、ARM1020E、ARM 1022E以及XScale是ARMv5TE的。

    2016年,日本软银同意斥资243亿英镑(约合人民币2155亿元))收购英国芯片设计公司ARM,这则消息再一次把这家低调而不失内涵的世界性的科技公司推向了公众面前。ARM被誉为英国的苹果,最成功的科技公司,一个敢和英特尔拍桌子的竞争对手,和互联网浪潮中默默无闻的英国一样,低调到很少有人听说过这个名字,但这并不影响他“统治全球”的节奏:2017年宣布正式达成1000亿芯片出货量的里程碑。全世界95%的智能手机和80%的数码相机都在使用ARM技术。在一些新兴领域,如扩增实境头戴显示器、自动驾驶汽车、智能手表以及无人机中也不会缺少这家技术公司的身影,成为全球消费品电子产品的绝对幕后推手。作为整个智能移动硬件行业的绝对上游,ARM凭借超过90%的市场份额几乎掌握了决定行业下一步走向的能力。而在软银的领导下,ARM又将在智能硬件领域掀起一场怎样的血雨腥风呢?

    ARM9EJ-S、ARM926EJ-S、ARM7EJ-S、ARM1026EJ-S是基于ARMv5EJ的。

    1. ARM的身世

    ARM10也采用。

    1978年12月5日,物理学家赫尔曼·豪泽(Hermann Hauser)和工程师Chris Curry,在英国剑桥创办了CPU公司(Cambridge Processing Unit),主要业务是为当地市场供应电子设备。

    其中后缀意义如下:

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    E:增强型DSP指令集。包括全部算法和16位乘法操作。

    巨人们的青葱岁月

    J:支持新的Java。

    1979年,CPU公司改名为AcornRISCMachine计算机公司。Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的16位芯片,但是发现这种芯片太慢也太贵。"一台售价500英镑的机器,不可能使用价格100英镑的CPU!"他们转而向Intel公司索要80286芯片的设计资料,但是遭到拒绝,于是被迫只能赶鸭子上架自己研发,不知道现在的Intel会不会为当时的决定而后悔呢。

    ARMv6:

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    采用ARMv6核的处理器是ARM11系列。

    ARM公司前身Acorn

    ARM1136J(F)-S基于ARMv6主要特性有SIMD、Thumb、Jazelle、DBX、(VFP)、MMU。

    1985年,RogerWilson和SteveFurber设计了他们自己的第一代32位、6MHz的处理器,RogerWilson和SteveFurber用它做出了一台RISC指令集的计算机,简称ARM(Acorn RISC Machine)。这就是ARM这个名字的由来。

    ARM1156T2(F)-S基于ARMv6T2 主要特性有SIMD、Thumb-2、(VFP)、MPU。

    RISC的全称是"精简指令集计算机"(reduced instructionset computer),它支持的指令比较简单,所以功耗小、价格便宜,特别合适移动设备。由于Acorn芯片符合低功耗的特性,苹果当时正在开发新的PDA设备「Newton」就直接选用了Acorn的芯片。Acorn为苹果公司后来设计出成功的产品iPhone打下了良好的基础。

    ARM1176JZ(F)-S基于ARMv6KZ 在 ARM1136EJ(F)-S 基础上增加MMU、TrustZone。

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    ARM11 MPCore基于ARMv6K 在ARM1136EJ(F)-S基础上可以包括1-4 核SMP、MMU。

    1990年11月,Acorn、Apple和VLSI共同出资创建了ARM。Acorn RISC Machine正式更名为Advanced RISC Machine。被人称作“英国的苹果电脑公司”。由于缺钱,ARM公司的第一个办公室不得不设在剑桥乡下的一座改建过的18世纪的谷仓中,公司的办公地点非常简陋,就是一个谷仓。

    ARMv7-A:

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    ARM7微处理器系列

    公司成立初期缺乏资金,业绩是寸步难行,鉴于此种情况,ARM做了一个影响时代的决定:ARM不制造芯片,只将芯片的设计方案(IP)授权给半导体合作伙伴(高通、苹果、MTK及三星等),后者使用ARM的架构、设计以及开发工具推出自己的处理器,然后再供应给OEM客户(各种手机、平板厂商),各芯片公司再根据自己的需求进行一些改进。从此,ARM的公司在商业上开启了设计授权之路,殊不知此决定在十几年后改变了智能手机芯片市场,也正是借由此模式的开展,使得ARM芯片业务遍地开花,甚至连PC领域的老大英特尔也不由感叹。

    低功耗的32位RISC处理器,冯·诺依曼结构。极低的功耗,适合便携式产品。

    1993年,Cirrus Logic和德州仪器公司先后加入ARM阵营。当年ARM7问世。

    具有嵌入式ICE-RT逻辑,调试开发方便。

    1997年,ARM里程碑产品ARM9发布,标志着ARM处理器正式进入微处理器领域。

    3级流水线结构。能够提供0.9MIPS的三级流水线结构

    1998年4月17日,ARM在英国伦敦证交所和美国纳斯达克上市。

    代码密度高,兼容16位的Thumb指令集。

    2004年,Cortex系列处理器诞生,从此不再用数字为处理器命名。它分为A、R和M三类,面向不同的市场。

    对操作系统的支持广泛,包括Windows CE、Linux、Palm OS等。

    2008年,ARM芯片的出货量正式突破100亿片

    指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容,便于用户的产品升级换代。

    2010年6月,苹果表示有意以80亿美元的价格收购ARM,但遭到拒绝。ARM公司CEO

    主频最高可达130MIPS。

    Warren East称“ARM公司作为独立公司更具价值”。

    主要应用领域:工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。

    2011年,ARM推出了旗下首款64位架构ARMv8,还推出了big.LITTLE技术,高性能核心与节能核心相结合。

    ARM7TDMI微处理器

    2013年12月13日,ARM收购著名光引擎技术公司Geomerics,扩大在图形技术行业的领先地位。

    4种类型:

    2015年,ARM基于ARMv8架构推出了面向企业级市场的新平台标准,此外还开始在物联网领域发力。同年,福布斯杂志将ARM评为世界上五大最具创新力的公司之一。

    ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。

    2016年,日本软银同意斥资243亿英镑收购ARM。

    ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器,属低端ARM处理器核。

    2017年3月,ARM发布了针对人工智能以及机器学习进行优化的DynamIQ技术作为下一代ARM Cortex-A系列处理器的基础,正式发力AI领域。

    注:“ARM核”并不是芯片,ARM核与其它部件如RAM、ROM、片内外设组合在一起才能构成现实的芯片。

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    ARM9微处理器系列

    ARM的生态链公司

    ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。

    4.机器指令

    5级整数流水线,

    我们看看为什么基于x86 linux OS下的软件不能直接运行在AndroidARM平台设备上?

    哈佛体系结构。

    我们都知道计算机只能识别0,1这样的二进制机器语言。所以最早的计算机程序都是用机器语言来写的,那个时候的码农真的才叫大神,他们需要去记忆大量的机器指令码,老王称之为编程的石器时代,后来巨人们发明了高级语言,于是乎鸟枪换炮,这才真正的解放了我等码农,现在想想我们能够在明亮的办公司里面对着电脑敲hello world是一件多么美好的事情呀!为了缅怀下巨人们的卓越贡献,我们用我们码农的方式再表达下敬意:

    支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

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    全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

    码农们都知道我们写的高级语言需要通过编译工具执行一系列的处理最终才能生成机器识别的二进制文件。所以我们的hello.c需要经过预编译,编译,链接后,最终才生成机器识别的二进制。

    支持数据Cache和指令Cache,具有更高的指令和数据处理能力。

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    主要应用:无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数码照相机和数码摄像机。

    在执行程序的时候,需要CPU将这些指令码根据它们之前定义好的规则翻译成机器能够识别的语句(译码),这样最终CPU才能够按照我们的代码思想为我们服务。

    3种类型:ARM920T、ARM922T和ARM940T。

    但是类似X86和ARM平台它们所定义的规则肯定是不同的,所以相同的代码经过不同平台的编译链工具交叉编译处理后会生成特定平台的二进制码,二者的交流语言规则不同,所以定然无法沟通。

    ARM9E微处理器系列

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    单一处理器内核提供微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案。

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    支持DSP指令集。

    图:Hello.c ARM汇编指令和X86汇编指令对比

    5级整数流水线,指令执行效率更高。

    从上图可以看出ARM的语言规则和X86的语言规则完全是不一样的,简直无法沟通啊。

    支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

    5.指令集

    支持VFP9浮点处理协处理器。

    2009年6月17日,老牌处理器架构厂商美普思(MIPS)宣称,龙芯所属的中科院计算技术研究所(简称计算所)获得MIPS32、MIPS64的架构授权,双方开展长期战略性合作。这个消息翻译下就是:龙芯采用了MIPS的指令集。

    全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

    龙芯作为我国自主研发的处理器。都希望能够全部自主创新不被外界牵制,然而它还是不得不采用现存的指令集,为什么呢?归根到底是指令集的威力太大。用写文章来打个比喻,你用自己造的文字写一篇文章,人家认识吗?创造全新的指令集技术上并不难实现,难得是会不会有人支持你。使用新的指令集意味着与之配套的编译器、操作系统、应用软件全部都要重新编写。这个工作量无疑是巨大的。指令集的强大不在于它所属的公司,而在于它的背后有一个强大的生态链,如芯片、软件、工具等等。

    MPU支持实时操作系统。

    那么什么是指令集呢?

    支持数据Cache和指令Cache,

    ISA:一款处理器所支持的指令以及指令的字节级编码方式成为该处理器的指令集体系结构。如X86,ARM指令集,它是处理器的设计规范,定义处理器能够做什么,是处理器的抽象描述。从我们程序猿的角度看,ISA就是一些指令集以及寄存器的描述。ARM指令集是基于精简指令集计算机(RISC)设计的。

    主频最高可达300MIPS。

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    主要应用:下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。

    图:ARMv8 A64 LDR指令描述。

    3种类型:ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S。

    6 ARM的家族

    ARM10E微处理器系列

    到目前为止,ARM共8种ISA版本,也就是ARMv1

    与同等的ARM9比较,在同样的时钟频率下,性能提高了近50%,功耗极低。

    ~ ARMv8。其中ARMv1和ARMv2地址范围只到26 bits,自ARMv3开始则采用了32 bits地址范围,这种32-bit CPU架构一直延续到ARMv7,ARMv8开始,CPU架构则更改为64-bit

    支持DSP指令集。

    对比看下我的三星s6手机CPU的信息看能看到哪些信息呢?

    6级整数流水线,指令执行效率更高。

    ARM9之前的版本采用的是冯诺依曼结构(von

    支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。

    Neumann architecture)。而从ARM9以后都使用的是哈佛架构(Harvard architecture)。

    支持VFP10浮点处理协处理器。

    冯诺依曼结构:是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储结构。取指令和取操作数都在同一总线上,通过分时复用的方式进行。缺点是在高速运行时,不能达到同时取指令和取操作数,从而形成了传输过程的瓶颈。

    全性能的MMU,支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。

    哈佛结构:是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构,它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器,每个存储器独立编址、独立访问,目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容,解码后得到数据地址,再到相应的数据储存器中读取数据,并进行下一步的操作(通常是执行),执行时可以预先读取下一条指令。达到数据和指令的存取可以同时进行,同时可以使指令和数据有不同的数据宽度。

    支持数据Cache和指令Cache。

    自ARMv7起处理器命令以Cortex开头。

    主频最高可达400MIPS。

    Cortex-A—高性能,面向性能密集型系统的应用处理器内核。

    新葡亰496net,内嵌并行读/写操作部件。

    Cortex-R—快速响应,面向实时应用的高性能内核。

    主要应用:下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。

    Cortex-M—小型、低功耗,面向各类嵌入式应用的微控制器内核。

    3种类型:ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S。

    最新的ARM Cortex-X系列见如下:

    SecurCore微处理器系列

    ARM根据不同的状况增加了许多种ISA的扩充,比如在Java很火红的年代,为了提升JVM执行的效率,而引入了Jazelle指令集,用来协助增强Java bytecode运算的速度/占用空间(不过由于Android的dalvik并未将Java程序转换成bytecode的形式,因此在Android平台上Jazelle指令集并未有任何显着的效能提升)

    专为安全需要而设计,提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案。

    各个不同的ARM版本对应的扩充指令集架构信息如下:

    灵活的保护单元,以确保操作系统和应用数据的安全。

    ARMv8-A将64位架构支持引入ARM架构中,其中包括:

    采用软内核技术,防止外部对其进行扫描探测。

    ·64位通用寄存器、SP(堆栈指针)和PC(程序计数器)

    可集成用户自己的安全特性和其他协处理器。

    ·64位数据处理和扩展的虚拟寻址

    主要应用:对安全性要求较高的应用产品及应用系统,如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。

    ·两种主要执行状态:

    4种类型:SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210。

    AArch64 - 64位执行状态,包括该状态的异常模型、内存模型、程序员模型和指令集支持

    Xscale处理器

    AArch32 — 32位执行状态,包括该状态的异常模型、内存模型、程序员模型和指令集支持

    基于ARMv5TE体系结构的解决方案,是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。

    这些执行状态支持三个主要指令集:

    支持16位的Thumb指令和DSP指令集。

    A32(或ARM):32位固定长度指令集,通过不同架构变体增强部分32位架构执行环境现在称为AArch32。

    已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。

    T32:(Thumb)是以16位固定长度指令集的形式引入的,随后在引入Thumb-2技术时增强为16位和32位混合长度指令集。部分32位架构执行环境现在称为AArch32。

    Xscale处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器

    A64:提供与ARM和Thumb指令集类似功能的32位固定长度指令集。随ARMv8-A一起引入,它是一种AArch64指令集。

    ARM11:指令集ARMv6,8级流水线,1.25DMIPS/MHz

    7.处理器架构

    Cortex-A8:指令集ARMv7-A,13级整数流水线,超标量双发射,2.0DMIPS/MHz,标配Neon,不支持多核

    3月22日,高通公司以“强者·愈强”为主题,在北京举办骁龙835亚洲首秀。作为业界第一款商用10纳米FinFET制程的移动平台,骁龙835拥有更为强大的性能与能效,而前不久小米推出了米6,也成为了国内首发骁龙835的手机厂商。这也预示着2017年,新一轮的智能手机大战正在徐徐拉开,而作为基础平台的应用处理器,开始进入10nm的军备竞赛,处理器临新一轮的激战。

    Scorpion:指令集ARMv7-A,高通获得指令集授权后在A8的基础上设计的。13级整数流水线,超标量双发射,部分乱序执行,2.1DMIPS/MHz,标配Neon,支持多核

    目前市场流传有5颗10nm移动处理器,分别是骁龙835、Helio X30、麒麟970、苹果A10X和三星Exynos 8895。

    Cortex-A9:指令集ARMv7-A,8级整数流水线,超标量双发射,乱序执行,2.5DMIPS/MHz,可选配Neon/VFPv3,支持多核

    高通:骁龙835采用了Kryo 280 8核架构,4大核最高主频2.45GHz,4小核最高频1.9GH。

    Cortex-A5:指令集ARMv7-A,8级整数流水线,1.57DMIPS/MHz,可选配Neon/VFPv3,支持多核

    联发科:Helio X30使用三丛十核结构,包括两个Cortex-A73 2.8GHz强力核心,四个Cortex-A53 2.3GHz大核心,四个Cortex-A35 2.0GHz小核心。是全球首款三架构混合big.LITTLE架构三丛集十核心处理器。

    Cortex-A15:指令集ARMv7-A,超标量,乱序执行,可选配Neon/VFPv4,支持多核

    华为:麒麟970 CPU由8个核心组成,分别是4核ARM

    ARMv8

    Cortex-A73和4核ARM Cortex-A53,最高主频为2.8GHz。

    新款ARMv8架构ARMCortex-A50处理器系列产品,进一步扩大ARM在高性能与低功耗领域的领先地位。该系列率先推出的是Cortex-A53与Cortex-A57处理器以及最新节能64位处理技术与现有32位处理技术的扩展升级。该处理器系列的可扩展性使ARM的合作伙伴能够针对智能手机、高性能服务器等各类不同市场需求开发系统级芯片。

    三星:Exynos8895,采用最新的自研4核猫鼬M2架构 4核高效能A53核心CPU。

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    那么这场军备竞赛到底谁能笑傲江湖呢?

    ARM内核.png

    早期在多核时代来临的时期,大家都卯足劲了的拼核,4核、8核,MTK甚至搞出了10核。

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    然而手机多核处理器本身就和电脑处理器有着巨大的差别,它面临着手机巨大的功耗压力,因此手机处理器需要综合考虑。并不是核越多,性能就越强。如今手机圈里流传着这样一个笑话:一核有难九核围观,就是指的MTK上代的旗舰机处理器X20,X20很容易发热,一发热就玩锁核降频来降温,所以才会有网友这样调侃。

    图例.png

    而同样基于10nm工艺的高通835,MTK X30,三星8895,华为970 4者性能又会是谁胜出呢?

    在GCC编译中, -march, -mcpu的含义

    我们直接拿网上的一个针对三星S8手机的评测数据来看下,Galaxy S8搭载了两种版本的SoC:一个是三星Exynos 8895,另一个则是高通骁龙835。从跑分来看,单核成绩Exynos 8895为1978, 骁龙835为1916,两者差距不是很大。而多核成绩,三星6375 VS骁龙6011,两者之间的差距就有些大了。这可以印证三星Exynos 8895性能上要强于高通骁龙835,而可以预见的是8895和835将会吊打MTK X30。为什么基于同样的10nm工艺,不同厂商的8核之间的性能差异会比较大,而10核更是会输给8核呢?根本原因就在于它们处理器的架构不同。也可以简单的理解为处理器的工作方式。这是不同等级的处理器最重要的划分。

    -mcpu ,-mtune指定目标处理器(target ARM processor)。

    那么何为架构,它和ARM又是怎样的关系呢?

    可选的参数为:

    CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范,主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标示。目前市面上的CPU分类主要分有两大阵营,一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU,另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。两个不同品牌的CPU,其产品的架构也不相同,例如,Intel、AMD的CPU是X86架构的,而IBM公司的CPU是PowerPC架构,ARM公司是ARM架构。你可以这样理解:处理器微架构相当于建筑物的设计图,指令集相当于建筑材料。建筑材料有钱都好买,但是卢浮宫只有贝聿铭能做出那么棒的设计。

    arm2, arm250, arm3, arm6, arm60, arm600, arm610, arm620, arm7, arm7m, arm7d, arm7dm, arm7di, arm7dmi, arm70, arm700, arm700i, arm710, arm710c, arm7100, arm7500, arm7500fe, arm7tdmi, arm7tdmi-s, arm8, strongarm, strongarm110, strongarm1100, arm8, arm810, arm9, arm9e, arm920, arm920t, arm922t, arm946e-s, arm966e-s, arm968e-s, arm926ej-s, arm940t, arm9tdmi, arm10tdmi, arm1020t, arm1026ej-s, arm10e, arm1020e, arm1022e, arm1136j-s, arm1136jf-s, mpcore, mpcorenovfp, arm1176jz-s, arm1176jzf-s, xscale, iwmmxt, ep9312,Cortex-A8, Cortex-A9等

    8.公版架构核VS自主架构

    -march(target ARM architecture目标处理器架构)。

    ARM牛逼的地方就在于它不仅有指令集,还设计处理器架构,比如Cortex-A53/A73,像三星、MTK、英伟达、海思这些厂商拿到这些架构授权后,只需要选择核心数、总线互联、缓存等就基本完成CPU部分的设计。我们把这种直接使用ARM设计好的内核方案叫做公版架构。如高通骁龙810,MTK,三星exynos7420,海思等。

    可选的参数为:

    但是面对日新月异的行业应用需求,一些有能力的芯片厂商不甘于平庸,或者有特殊要求,为了形成差异化的竞争,就拿ARM提供的指令集架构如ARMv7/ARMv8,去研发自己的内核架构,之后再完成整个CPU的搭建,开启了自主设计处理器架构的道路。

    armv2, armv2a, armv3, armv3m, armv4, armv4t, armv5, armv5t, armv5te, armv6, armv6j, iwmmxt, ep9312. armv7-a等。

    目前业界能够自己设计处理架构的也就 苹果、高通、三星。其他如MTK、海思、英伟达以及最新的松果都还是直接采用的ARM的公版IP核,如Cortex-A73,Cortex-A53等。所以ARM的授权方式也就分为指令集授权和IP核授权。

    x86架构和arm架构的区别

    高通Kyro架构

    X86架构是是X86指令集,它属于CISC指令集。ARM架构是ARM指令集,属于RISC指令集。X86是冯若依曼结构,ARM是哈弗结构,例外的是ARM7TDMI用的就是冯若依曼结构。其实都是差不多,X86指令多,应用范围广,但效率就显得低一点,ARM指令少,应用范围小,效率显得高。

    Kryo是Qualcomm推出的首款ARMv8指令集定制设计的64位CPU,是广受欢迎的定制基于ARMv7指令集Krait CPU的延续—KraitCPU支持骁龙800、801和805处理器。

    作者:吴白

    苹果Swift &Cyclone&Typhoon架构

    链接:

    到了iPhone5的A6开始,苹果就自己设计了Swift架构,采用ARMv7-A指令集,到了A7首次使用64位的ARMv8指令集的Cyclone内核架构。仅仅双核的配置性能就等同于四核的A15处理器。在到iPhone 6配备的A8芯片时,改进的Typhoon架构单核性能超A57,多核只稍微落后八核A57 A53的骁龙810。可见架构的不同影响是多么大。

    來源:简书

    低功耗受热捧,ARM内核全分析。三星猫鼬M1 & M2架构

    著作权归作者所有。商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处。

    对一直注重研发的三星而言,肯定是不甘心只看着别人玩自主架构风生水起的,所以配备在三星S7上的Exynos 8890,就采用了基于ARMv8指令集自研的Mongoose内核取代了A57,性能同样强于A72,和高通kryo不相上下,而Exynos8895采用三星自主研发的第二代“猫鼬”架构。

    当然,不管自主还是公版称王称霸,而作为消费者,只要能够提供给我们很好的性价比产品就行了,实在没必要去锱铢必较那多几百的跑分。

    好了,通过这堂课我想码农朋友们终于弄懂了ARM的前世今生,以及什么是ISA指令集,什么是CPU内核架构,以及移动处理器芯片厂商的争霸格局。ARM既然都在不断的引领着科技的发展。通过这节课,老王希望下次再有朋友问到咋们相关的ARM技术点问题,我希望我们大家的是这样的回答的:

    新葡亰496net 50

    OK,everybody,下课。

    (欢迎关注老王的公众号:码农职场加油站(ID:coder51up)关注更多技术干货,更多精彩的职场经验技术文章我会第一时间在公众号上发布,希望能够在一些技术点上为大家抛砖引玉更多干货技能,更多精彩咱们下回分解。)

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