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        1. 杭州嵌入式培訓
          達內杭州嵌入式培訓中心

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          ARM發展史助力嵌入式開發學習

          • 時間:2018-05-17 15:28
          • 發布:杭州嵌入式培訓
          • 來源:企業面試題

          CPU公司的全稱,是Cambridge Processor Unit,字面意思是“劍橋處理器單元”。

          CPU公司的創始人,是一個名叫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。

          Hermann Hauser和Chris Curry

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

          這個微控制器系統被開發出來后,稱之為Acorn System 1。

          Acorn System 1

          1979年,在經營逐漸進入軌道之后,這家公司給自己換了個名字,叫做Acorn Computer Ltd。

          Acorn是什么意思?橡子。對,就是冰河世紀里面,那只松鼠一直在追的那個東東。

          Acorn Computer Ltd公司的商標,里面就有一個橡子。

          之所以叫Acorn,還有一個有趣的說法,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,他們又陸續開發了System 2、3、4,還有面向消費者的盒式計算機——Acorn Atom。

          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目,他們希望Acorn能生產一款與之配套的電腦。

          這個計劃非常宏大,英國政府也參與其中(購機費的一半將由政府資助),電腦一旦采購,將進入英國的每一間教室。

          接下這個任務之后,Acorn就開始干了起來。結果,很快他們就發現,自己產品的硬件設計并不能滿足需求。當時,中央處理器的發展潮流,正在從8位變成16位。Acorn并沒有合適的芯片可以用。

          一開始,他們打算使用美國國家半導體和摩托羅拉公司的16位芯片。但是,經過評估后,他們發現了兩個缺陷:

          第一,芯片的執行速度有點慢,中斷的響應時間太長。

          第二,售價太貴,一臺500英鎊的電腦,處理器芯片就占到100英鎊。

          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,英特爾冰冷地拒絕了他們。

          備受打擊的Acorn公司,一氣之下決定自己干,自己造芯片。(這個橋段是不是很熟悉?)

          當時,Acorn公司的研發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。

          Sophie Wilson和Steve Furber

          前者負責指令集開發,后者負責芯片設計。

          對于這塊芯片,Acorn給它命名為Acorn RISC Machine。

          嗯,這就是大名鼎鼎的“ARM”三個字母的由來。

          Acorn是公司名稱,Machine是機器,那RISC是什么意思呢?

          前面說過,他們是基于“簡化指令集”技術做出的芯片。RISC的意思,就是簡化指令集計算機,Reduced Instruction Set Computer。

          注意!前方高能預警:

          這里解釋一下,到底“簡化指令集”有什么意義。

          它是相對于“復雜指令集(CISC,complex instruction set computer)”的一個概念。

          早期的處理器都是CISC架構(包括英特爾的處理器),隨著時間推移,有越來越多的指令集加入。由于當時編譯器的技術并不純熟,程序都會直接以機器碼或是組合語言寫成,為了減少程序的設計時間,逐漸開發出單一指令,復雜操作的程序代碼。設計師只需寫下簡單的指令,再交給CPU去執行。

          但是后來有人發現,整個指令集中,只有約20%的指令常常會被使用到,大約占了整個程序的80%;剩余80%的指令,只占了整個程序的20%。(典型的二八原則)

          于是,1979年美國加州大學伯克利分校的David Patterson教授提出了RISC的想法,主張硬件應該專心加速常用的指令,較為復雜的指令則利用常用的指令去組合。

          簡單來說,CISC任務處理能力強, 適合桌面電腦和服務器。RISC通過精簡CISC指令種類,格式,簡化尋址方式,達到省電高效的效果,適合手機、平板、數碼相機等便攜式電子產品。

          當時研發出來的第一款處理器芯片的型號,被定為 ARM1。

          我們來對比一下ARM1和當時Intel的80286處理器(也就是常說的286):

          可以看出來,ARM1和80286各有所長。

          但是,就在同一年,1985年10月,英特爾發布了80386。在80386面前,ARM1就只有被吊打的份了。

          Intel 80386

          32位,27.5萬個晶體管,頻率為12.5MHz,后提高到33MHz

          讓ARM直接在性能上和x86系列硬杠,顯然是不現實的。ARM有意無意地選擇了與Intel不同的設計路線——Intel持續邁向x86高效能設計,ARM則專注于低成本、低功耗的研發方向。

          扯遠了,繼續回來說BBC要的那款電腦。

          前面說了,BBC在1981年就提出需求,如果等到1985年ARM1出來,那豈不是黃花菜都涼了?

          所以,在ARM1問世之前,Acorn其實已經提供了解決方案給BBC。

          當時,Acorn的電腦,臨時采用了MOS 6502處理器(由MOS科技研發的8位微處理器)。

          MOS 6502處理器

          這款電腦一開始取名Proton,后來被改名為BBC Micro。

          BBC Micro

          到了 1984 年,大約80%的英國學校都配有這款電腦。Acorn公司徹底在大英帝國老百姓面前刷了一把存在感。

          后來,ARM處理器被研發出來之后,用在了BBC Micro的后續型號中。

          BBC Micro電腦里面的ARM芯片

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

          時間又繼續往前推移。

          1990年,Acorn為了和蘋果合作,專門成立了一家公司,名叫ARM。

          LOGO可以說是相當簡潔了。

          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

          現在的公司名稱:Advanced RISC Machines

          ARM是一家合資公司,蘋果投了150萬英鎊,芯片廠商VLSI投了25萬英鎊,Acorn本身則以150萬英鎊的知識產權和12名工程師入股。

          盡管如此,ARM的起步還是比較寒酸。他們最開始的辦公地點,是一個谷倉。

          不過,谷倉的內部環境還算不錯。

          在成立后的那幾年,ARM業績平平,工程師們也人心惶惶,害怕隨時都會失業。

          在這個情況下,ARM決定改變他們的產品策略——他們不再生產芯片,轉而以授權的方式,將芯片設計方案轉讓給其他公司,即“Partnership”開放模式。

          沒想到正是這種模式,開創了屬于ARM的全新時代。

          注意!下面這段是重點!

          ARM所采取的是IP(Intellectual Property,知識產權)授權的商業模式,收取一次性技術授權費用和版稅提成。

          具體來說,ARM有三種授權方式:處理器、POP以及架構授權。

          處理器授權是指授權合作廠商使用ARM設計好的處理器,對方不能改變原有設計,但可以根據自己的需要調整產品的頻率、功耗等。

          POP(processor optimization pack,處理器優化包)授權是處理器授權的高級形式, ARM出售優化后的處理器給授權合作廠商,方便其在特定工藝下設計、生產出性能有保證的處理器。

          架構授權是ARM會授權合作廠商使用自己的架構,方便其根據自己的需要來設計處理器(例如后來高通的Krait架構和蘋果的Swift架構,就是在取得ARM的授權后設計完成的)。

          所以,授權費和版稅就成了ARM的主要收入來源。除此之外,就是軟件工具和技術支持服務的收入。

          對于半導體公司來說,授權費和版稅到底有多少呢?一次性技術授權費用在100萬-1000萬美元之間,版稅提成比例一般在1%-2%之間。

          正是ARM的這種授權模式,極大地降低了自身的研發成本和研發風險。它以風險共擔、利益共享的模式,形成了一個以ARM為核心的生態圈,使得低成本創新成為可能。

          當ARM提出這種合作模式之后,開始了嘗試——

          1991年,ARM將產品授權給英國GEC Plessey半導體公司。

          1993年,ARM將產品授權給Cirrus Logic和德州儀器(Texas Instruments,TI)。

          與德州儀器的合作,給ARM公司帶來了重要的突破。而且,也給ARM公司樹立了聲譽,證實了授權模式的可行性。

          此后,越來越多的公司參與到這種授權模式中,與ARM建立了合作關系。其中就包括三星、夏普等公司。

          在此基礎上,ARM堅定了授權模式的決心,并著手設計更多性價比高的產品。

          1993年,蘋果公司推出了一款新型掌上電腦產品——Newton。ARM公司開發的ARM6芯片被用于該產品之中。

          Apple Newton Message Pad

          現在被認為是PDA和智能手機的鼻祖

          但是很遺憾,因為Newton技術過于超前,加上一些用戶體驗上的缺陷,所以未能被市場接受,后來以失敗告終。

          但ARM積累了經驗,繼續改良技術。沒過多久,ARM迎來了自己的黃金機遇——移動電話時代來臨了。

          ARM首先迎來了一個大客戶——諾基亞Nokia。

          當時,諾基亞被建議在即將推出的GSM手機上使用德州儀器的系統設計,而這個設計是基于ARM芯片的。

          因為內存空間的問題,諾基亞一開始對ARM是拒絕的。

          為此,ARM專門開發出16位的定制指令集,縮減了占用的內存空間。

          就這樣,諾基亞6110成為了第一部采用ARM處理器的GSM手機,上市后獲得了極大的成功。

          Nokia 6110,相信有不少人用過或見過。

          ARM后來又跟著推出了ARM7等一系列芯片,授權給超過165家公司。隨著移動手機的井噴式普及,ARM賺得盆滿缽滿,不亦樂乎。

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

          ARM在納斯達克上市

          在ARM公司上市之后,處于后喬布斯時代的蘋果公司,逐步賣掉了所持有的ARM股票,把資金投入到ipod產品的開發上。

          鑒于蘋果研究人員對ARM芯片架構非常熟悉,ipod也繼續使用了ARM芯片。

          Apple ipod

          眾所周知,在喬幫主的帶領下,ipod取得了巨大的商業成功。

          這還沒完,2007年,真正的劃時代產品出現了。

          那就是iPhone。

          蘋果iPhone的出現,徹底顛覆了移動電話的設計,開啟了全新的時代。

          第一代iPhone,使用了ARM設計、三星制造的芯片。

          Iphone的熱銷,App Store的迅速崛起,讓全球移動應用徹底綁定在ARM指令集上。

          緊接著,2008年,谷歌推出了Android(安卓)系統,也是基于ARM指令集。

          至此,智能手機進入了飛速發展階段,ARM也因奠定了在智能手機市場的霸主地位。

          同年,ARM芯片的出貨量達到了一百億顆。

          2011年,就連傳統Wintel聯盟(windows+intel)的微軟,也宣布Windows8平臺將支援ARM架構。

          想必英特爾一定是連腸子都悔青了。

          其實,正是英特爾一步一步將ARM送上了如今無法取代的位置。90年代,高通想和英特爾合作,英特爾認為手機市場太小,拒絕了合作。后來,蘋果的第一代iPhone一開始也想和英特爾合作,英特爾還是以相同的理由拒絕了。結果,移動設備市場被英特爾拱手讓人,現在想追也追不回來了。

          2010年6月中,蘋果公司向ARM董事會表示有意以85億美元的價格收購ARM公司,但遭到ARM董事會的拒絕。

          2016年7月18日,曾經投資阿里巴巴的孫正義和他的日本軟銀集團,以243億英鎊(約309億美元)收購了ARM集團。

          孫正義

          至此,ARM成為軟銀集團旗下的全資子公司。不過,軟銀集團表示,不會干預或影響ARM未來的商業計劃和決策。

          最后,小棗君覺得有必要和大家簡單介紹一下ARM的產品體系。這一塊確實有點亂,很多業內人士都容易混淆。

          ARM11芯片之前,每一個芯片對應的架構關系如下:

          實際的芯片型號并不止這些。

          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。呵呵,發現了沒,三個字母又是A、R、M。

          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、數字電視等。

          Cortex-A系列

          Cortex-R系列 (R:Real-time)

          針對需要運行實時操作的系統應用,面向如汽車制動系統、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-R系列

          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、汽車和工業控制系統、家用電器、消費性產品和醫療器械等。

          Cortex-M系列

          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。

          好啦,講了那么多,來做個總結!

          總之,ARM之所以能有今天的地位,既有外部的機遇因素,也有內部的戰略因素。

          他們選擇了一條和英特爾截然相反的道路。英特爾一直以來堅持的是重資產的、封閉的全產業鏈商業模式,而ARM是輕資產的、開放的合作共贏模式。

          對ARM來說,合作伙伴的成功就意味著自己的成功。與ARM開展業務往來的每家公司均與ARM建立了“雙贏”的共生關系。

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