arm芯片解密

從第一臺電腦誕生開始，我們就談到了單片機時代。麻雀雖然小而全，但它的處理能力畢竟很有限?，F實中工業和技術的發展促使我們生產出更強大、更豐富的處理器。如果說單片機是“麻雀”，那么現實很可能需要一只“鷹”，更糟糕的是，它是巨型禿鷲中的“鷹哥”。

cpu性能提升與處理器集成

單片機的“工廠”相對簡單，廠外的“道路”相對原始。為了更快更好地加工產品，處理器制造商不斷擴大其性能工程?！肮S”越來越高，“裝修”越來越精致，材料越來越好。后來簡單來說，它也給“工廠”建了自己的院子和專屬車道，外面的路也是不斷的。路上也有專門負責不同對外職責的各種車輛。比較后，所有這些功能組件集合在一起，形成一個“工廠”，旁邊有一個專業的cpu，可能還有一個協處理器，幾個級別的帶緩沖區的cache和mmu，以及一個高帶寬、高性能總線和各種外圍ip的社區?，F在說到處理器的概念，大部分都會參考這個社區。甚至當我們談到cpu的時候，大部分都不僅僅是核心。我們似乎已經習慣了。

處理器界的明星們

從七八十年代開始，半導體行業蓄勢待發，摩爾定律輸出，如果把整個處理器類型的數量描述清楚，可以說是比較后三天三夜。這里挑幾個有代表性的明星產品來說一下，可以說處理器行業的老大哥英特爾特別有代表性，甚至在學校的微機原理課程中以這一類型為例，在pc和服務器行業的地位真的很難撼動。但是上一本書講的是8086。這里我想以我們經常聽到的幾種處理器為代表，比如arm、powerpc、mips、dsp，加上fpga來談談它們的開發和連接。

arm處理器

說到arm，你就熟悉了。它具有體積小、功耗低、成本低、性能高、支持thumb(16位)/arm(32位)雙指令集、與8位/16位設備兼容性好、寄存器使用廣泛、指令執行速度快、尋址方式靈活簡單、執行效率高、指令長度固定、大部分數據操作都在寄存器中完成等特點。

如果翻譯arm這個詞，一般是“advanced risc machines”，這是一款高性能的risc處理器。然后這個詞又來了。什么是risc？

先說arm誕生的歷史，說明risc在歷史上的意義。

arm的歷史

要說arm的歷史，先說一個叫acorn的公司。據說1978年12月，一位物理學家和一位工程師在英國劍橋成立了劍橋處理小組，主要向當地市場供應電子設備。1979年，公司更名為橡子公司。公司比較初打算用摩托羅拉的16位芯片搭建設備，但是發現了兩個問題，一個是芯片有點慢，一個是有點貴。后來他們想找intel要80286芯片的設計資料，但是你知道，被拒絕后發生了什么？只能自己開發。

1985年，設計了第一代32位、6m hz處理器，用它搭建了一臺risc指令集計算機，稱為arm(橡子risc機)。這就是arm這個名字的由來(那么這是acorn還是advanced？有可能一開始叫acorn，后來發展成advanced版本。

1990年11月27日，橡子公司正式改組為arm計算機公司。蘋果、芯片制造商超大規模集成電路(vlsi)和橡子(acorn)一起入股。據說公司的辦公室是一個非常簡陋的谷倉。

說一說risc吧：

risc被稱為精簡指令集計算機，中文意思是精簡指令集計算機。什么是精簡指令集？正是這種指令集結構可以優先選擇使用頻率比較高的簡單指令，避免復雜指令；指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少；控制邏輯是主要方法，不需要或者少用微碼控制。簡單來說，程序指令被拆分成簡單的指令，執行起來沒有那么復雜。那么，一定有同學又說了，如果有簡化指令集，是不是有復雜指令集？答案是肯定的，叫做cisc(complex instruction set computer)的復雜指令集計算機有什么特點？在cisc指令集中，大約20%的指令會被重復使用，占整個程序代碼的80%。而剩下的指令很少使用，在編程中只占20%。

英特爾的x86，我們芯片行業的大哥，指令集復雜，芯片的性能達到了這樣的水平，可見大哥的實力。至于復雜的指令集，留給熱愛學習的同學吧，比如芯片行業的明星基本都是risc。

有很多故事，跳出歷史的長河，文字太抽象。我們來看看arm芯片是什么樣子的。

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這個小芯片被認為是arm非常早期的產品。我們可以看到，芯片核心的“工廠”是arm7tdmi-s，也就是我們常說的一種arm7。使用這種芯片時，往往被認為是“單片機”。在大家都很樂意在arm9上玩linux的設計期，這樣的芯片還是有很多工程師在戰斗。軟件設計往往采用前后結合的設計方法，偶爾還會帶有ucos-。

雖然這個小家伙主頻只能幾十兆，ram幾十kb，flash 512 kb，但是運行一個幾萬行代碼的軟件沒有壓力，功耗低。比較重要的外設豐富，各種串口、can、i2c、spi、定時器、ad等。可以輕松滿足各種輕量化工業控制和汽車電子應用的需求。也許這個芯片也是很多工程師朋友嵌入式啟蒙的核心。

這個芯片是“arm”，內部“小工廠”和“高速公路”采用arm標準的ahb總線，各種外設(小型貨車)使用“apb”總線進行訪問，輕巧而豐富。

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這種芯片結構看起來“簡單”，重點是“工廠”的重建。一是工廠內部裝修，換成了arm9tdmi，主頻可以運行到三四百兆。此外，廠區增加了“門禁和門衛”(mmu)，c13專門幫助工作。院子里增加了一個快速的“緩存”，功能更加齊全和豐富。大貨車(高速外設)比較豐富，滿足視頻處理的需求，小貨車(低速外設)變化不大。

這個芯片，作為很多工程師和學生時代的“入門核心”，相信在很多學校都會勾起回憶，很多linux學習教程也是基于這個小芯片。

那么都是運行linux的嗎？當然不是，操作系統肯定有自己的優勢，但是裸機如果應用需求單一，操作系統功能不依賴，肯定是比較高效的。從這個芯片的各種教程可以看出，入門時的簡單控制是通過裸奔實現的。

我們講過arm的歷史和芯片的特點，列舉了恩智浦和三星arm芯片的結構和組成特點。有一點需要注意的是，arm既不生產芯片，也不銷售芯片，只銷售芯片技術許可證，也就是說市場上的arm芯片不是這家公司制造的，人們只許可技術，不直接創造實體。記得幾年前聽過這么一句話：“公司做標準，二流公司做技術，”

所以回顧arm誕生和成長的歷史，我們需要做一個產品，沒有人給，于是我們把自己的努力投入到研究中，比較終生產出了一個，風靡，走進每一個家庭。

還有什么和這個場景類似？曾經有一個哥哥想玩一個游戲，但是不是他自己寫的，于是誕生了c語言和unix操作系統；曾經有一個學生練習寫一個系統，并在電腦上運行。開源之后，偉大的linux出生；可能是python.

也許我們也可以在過早做一個研究之前考慮一下結果和收益，投入自己的興趣，放縱一下自己的想法，堅持下去，因為你喜歡，你就可以投入你的熱情，管理好它。總有一天，它可能會在你的朋友中流行起來，喝一口雞湯，寫完這篇文章。