arm芯片解密

從第一臺(tái)電腦誕生開始，我們就談到了單片機(jī)時(shí)代。麻雀雖然小而全，但它的處理能力畢竟很有限。現(xiàn)實(shí)中工業(yè)和技術(shù)的發(fā)展促使我們生產(chǎn)出更強(qiáng)大、更豐富的處理器。如果說單片機(jī)是“麻雀”，那么現(xiàn)實(shí)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(jī)的“工廠”相對(duì)簡(jiǎn)單，廠外的“道路”相對(duì)原始。為了更快更好地加工產(chǎn)品，處理器制造商不斷擴(kuò)大其性能工程。“工廠”越來越高，“裝修”越來越精致，材料越來越好。后來簡(jiǎn)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(fù)責(zé)不同對(duì)外職責(zé)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(gè)“工廠”，旁邊有一個(gè)專業(yè)的cpu，可能還有一個(gè)協(xié)處理器，幾個(gè)級(jí)別的帶緩沖區(qū)的cache和mmu，以及一個(gè)高帶寬、高性能總線和各種外圍ip的社區(qū)。現(xiàn)在說到處理器的概念，大部分都會(huì)參考這個(gè)社區(qū)。甚至當(dāng)我們談到cpu的時(shí)候，大部分都不僅僅是核心。我們似乎已經(jīng)習(xí)慣了。

處理器界的明星們

從七八十年代開始，半導(dǎo)體行業(yè)蓄勢(shì)待發(fā)，摩爾定律輸出，如果把整個(gè)處理器類型的數(shù)量描述清楚，可以說是比較后三天三夜。這里挑幾個(gè)有代表性的明星產(chǎn)品來說一下，可以說處理器行業(yè)的老大哥英特爾特別有代表性，甚至在學(xué)校的微機(jī)原理課程中以這一類型為例，在pc和服務(wù)器行業(yè)的地位真的很難撼動(dòng)。但是上一本書講的是8086。這里我想以我們經(jīng)常聽到的幾種處理器為代表，比如arm、powerpc、mips、dsp，加上fpga來談?wù)勊鼈兊拈_發(fā)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(shè)備兼容性好、寄存器使用廣泛、指令執(zhí)行速度快、尋址方式靈活簡(jiǎn)單、執(zhí)行效率高、指令長(zhǎng)度固定、大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作都在寄存器中完成等特點(diǎn)。

如果翻譯arm這個(gè)詞，一般是“advanced risc machines”，這是一款高性能的risc處理器。然后這個(gè)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(gè)叫acorn的公司。據(jù)說1978年12月，一位物理學(xué)家和一位工程師在英國(guó)劍橋成立了劍橋處理小組，主要向當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)供應(yīng)電子設(shè)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(shè)備，但是發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)問題，一個(gè)是芯片有點(diǎn)慢，一個(gè)是有點(diǎn)貴。后來他們想找intel要80286芯片的設(shè)計(jì)資料，但是你知道，被拒絕后發(fā)生了什么？只能自己開發(fā)。

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

1990年11月27日，橡子公司正式改組為arm計(jì)算機(jī)公司。蘋果、芯片制造商超大規(guī)模集成電路(vlsi)和橡子(acorn)一起入股。據(jù)說公司的辦公室是一個(gè)非常簡(jiǎn)陋的谷倉(cāng)。

說一說risc吧：

risc被稱為精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)，中文意思是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)。什么是精簡(jiǎn)指令集？正是這種指令集結(jié)構(gòu)可以優(yōu)先選擇使用頻率比較高的簡(jiǎn)單指令，避免復(fù)雜指令；指令長(zhǎng)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(jiǎn)單來說，程序指令被拆分成簡(jiǎn)單的指令，執(zhí)行起來沒有那么復(fù)雜。那么，一定有同學(xué)又說了，如果有簡(jiǎn)化指令集，是不是有復(fù)雜指令集？答案是肯定的，叫做cisc(complex instruction set computer)的復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)有什么特點(diǎn)？在cisc指令集中，大約20%的指令會(huì)被重復(fù)使用，占整個(gè)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(yè)的大哥，指令集復(fù)雜，芯片的性能達(dá)到了這樣的水平，可見大哥的實(shí)力。至于復(fù)雜的指令集，留給熱愛學(xué)習(xí)的同學(xué)吧，比如芯片行業(yè)的明星基本都是risc。

有很多故事，跳出歷史的長(zhǎng)河，文字太抽象。我們來看看arm芯片是什么樣子的。

nxp 的lpc2378

這個(gè)小芯片被認(rèn)為是arm非常早期的產(chǎn)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(shí)，往往被認(rèn)為是“單片機(jī)”。在大家都很樂意在arm9上玩linux的設(shè)計(jì)期，這樣的芯片還是有很多工程師在戰(zhàn)斗。軟件設(shè)計(jì)往往采用前后結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，偶爾還會(huì)帶有ucos-。

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

這個(gè)芯片是“arm”，內(nèi)部“小工廠”和“高速公路”采用arm標(biāo)準(zhǔn)的ahb總線，各種外設(shè)(小型貨車)使用“apb”總線進(jìn)行訪問，輕巧而豐富。

s3c2440

這種芯片結(jié)構(gòu)看起來“簡(jiǎn)單”，重點(diǎn)是“工廠”的重建。一是工廠內(nèi)部裝修，換成了arm9tdmi，主頻可以運(yùn)行到三四百兆。此外，廠區(qū)增加了“門禁和門衛(wèi)”(mmu)，c13專門幫助工作。院子里增加了一個(gè)快速的“緩存”，功能更加齊全和豐富。大貨車(高速外設(shè))比較豐富，滿足視頻處理的需求，小貨車(低速外設(shè))變化不大。

這個(gè)芯片，作為很多工程師和學(xué)生時(shí)代的“入門核心”，相信在很多學(xué)校都會(huì)勾起回憶，很多l(xiāng)inux學(xué)習(xí)教程也是基于這個(gè)小芯片。

那么都是運(yùn)行l(wèi)inux的嗎？當(dāng)然不是，操作系統(tǒng)肯定有自己的優(yōu)勢(shì)，但是裸機(jī)如果應(yīng)用需求單一，操作系統(tǒng)功能不依賴，肯定是比較高效的。從這個(gè)芯片的各種教程可以看出，入門時(shí)的簡(jiǎn)單控制是通過裸奔實(shí)現(xiàn)的。

我們講過arm的歷史和芯片的特點(diǎn)，列舉了恩智浦和三星arm芯片的結(jié)構(gòu)和組成特點(diǎn)。有一點(diǎn)需要注意的是，arm既不生產(chǎn)芯片，也不銷售芯片，只銷售芯片技術(shù)許可證，也就是說市場(chǎng)上的arm芯片不是這家公司制造的，人們只許可技術(shù)，不直接創(chuàng)造實(shí)體。記得幾年前聽過這么一句話：“公司做標(biāo)準(zhǔn)，二流公司做技術(shù)，”

所以回顧arm誕生和成長(zhǎng)的歷史，我們需要做一個(gè)產(chǎn)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(chǎn)出了一個(gè)，風(fēng)靡，走進(jìn)每一個(gè)家庭。

還有什么和這個(gè)場(chǎng)景類似？曾經(jīng)有一個(gè)哥哥想玩一個(gè)游戲，但是不是他自己寫的，于是誕生了c語(yǔ)言和unix操作系統(tǒng)；曾經(jīng)有一個(gè)學(xué)生練習(xí)寫一個(gè)系統(tǒng)，并在電腦上運(yùn)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(gè)研究之前考慮一下結(jié)果和收益，投入自己的興趣，放縱一下自己的想法，堅(jiān)持下去，因?yàn)槟阆矚g，你就可以投入你的熱情，管理好它。總有一天，它可能會(huì)在你的朋友中流行起來，喝一口雞湯，寫完這篇文章。