ARM是什么

ARM

ARM是一个公司，Advanced RISC Machines的缩写

RISC（Reduced Instruction Set Computer）

---

ARM内核与架构

ARM内核

• ARM内核：包括了寄存器组、指令集、总线、存储器映射规则、中断逻辑和调试组件等
  • 内核是ARM公司设计并以销售方式授权给芯片厂商使用的，ARM公司并不做芯片。
• **外设部分：**包括计时器、A/D转换器、存储器、I2C、UART、SPI、ROM。。。等等，完全由芯片厂商自己设计并与ARM内核衔接配套。

---

ARM指令集架构

指令集的设计是处理器结构中最重要的一部分，用ARM的术语称之为ISA（Instruction Set Architecture）

指令集是CPU设计的灵魂，要想使用CPU只能通过这些指令集来操作

ARM处理器架构发展概述

• ARMv6 主要特性
  • Thumb-2：是对 32 位 ARM 指令集的扩充，它的目标是为了实现更高的代码密度
  • TrustZone：安全扩展，将物理资源隔离，分为 Secure world 和 Normal word ，处理器通过 SMC 指令，可以在两个世界之间切换。该扩展需要总线、 MMU 的支持，DDR、SRAM、外设等也需要不同的 IP 来做控制，以实现安全隔离
  • SIMD：这一代 SIMD 指令集依赖的向量寄存器，服用了 ARM 本身的通用寄存器。支持 8/16bit 整数，可以实现 4 个 8bit 整数或者 2 个 16bit 整数并行计算
• ARMv7 主要特性
  • 高级SIMD：在ARM v7-A架构中，ARM进一步发展自身的SIMD指令集，并命名为NEON。这一代的指令集，有32个64bit的NEON向量寄存器，同时也支持单精度浮点；
  • VFPv3/v4：浮点体系结构 (VFP) 为半精度、单精度和双精度浮点运算中的浮点操作提供硬件支持，符合 IEEE-754 标准，VFPv4相当于VPPv3主要增加了half-precision extension和乘加的指令。ARM的vfp可以实现为32个或16个double-word register，分别以VFPv3-D32和VFPv3-D16来表示。当NEON和VFP同时实现时，VFP只可以实现为VFP-D32；
  • LPAE（Large Physical Address Extension）：大地址扩展，一般为40位地址扩展，可以将寻址范围从2^32 4GB扩展到2^40 1TB，也有处理器后来扩展到44bit ；
  • Virtualization：在 Normal world 里面加入了一个新的CPU模式——HYP mode，需要MMU和GIC（中断控制器）分别提供IPA（Intermediate Physical Address）和虚拟中断的转发的支持。
• ARMv8 主要特性
  • Secure EL2：该特性Armv8.4-A引入，在Secure word增加了虚拟化支持；
  • PA（Pointer Authentication）：v8.3引入，增强安全，函数指针检查，CPU在执行函数跳转时检查函数指针是否正确(使用MAC算法),防止跳转指针被修改；
  • BTI（Branch Target Identifiers）：v8.5引入，对间接跳转的目标进行限制。与PA结合使用极大程度减少控制流攻击;
  • MTE（Memory Tagging Extension）：v8.5引入，内存区域进行标记，对保护区域访问必须使用具有相同标记的指针。可检测溢出、UAF类漏洞;
  • Scalar Floating Point：aarch64提供32个128-bit寄存器用于SIMD vector and scalar floating-point支持；aarch32提供32个64-bit寄存器用于SIMD vector and scalar floating-point支持；
  • Enhanced Crypto：v8一开始就增加了cryptography 指令，包括AES, SHA-1/SHA-256 等算法实现，又在v8.4增加了”SHA3/SHA512/SM3/SM4”的支持；
  • bfloat：v8.2引入，增加FP16数据处理指令
  • Vector Extensions：v8.2引入，Scalable Vector Extension（SVE）是arm AArch64架构下的下一代SIMD指令集，旨在加速高性能计算，允许vector从28到2048 bit长度可变
  • Improved virtualization support：v8.4引入
• ARMv9 主要特性
  • Improve Security：主要是引入了全新的CCA（confidential compute architecture，机密计算架构 ）架构。机密计算可以打造基于硬件的安全运行环境来执行计算，保护部分敏感数据和代码，甚至不受特权软件的影响，即使是具有最高权限的OS也无法影响。虽然OS可以决定何时运行，但应用程序位于独立的硬件保护内存区域，和系统中的一切是隔离的。这意味着就算应用感染了恶意软件，也不会传播给设备里的其他部分。
  • Digital Signal Processing & Machine Learning：在ARMv8.2中引入SVE，但它的问题在于，新的可变矢量长度SIMD指令集的第一次迭代的范围相当有限，并且更多地针对HPC工作负载，缺少了许多仍由NEON涵盖的更通用的指令。SVE2，旨在通过用所需指令补充新的可扩展SIMD指令集来解决此问题，以服务于类似DSP/ML等目前仍在使用NEON的工作负载。除了增加的各种现代SIMD功能外，SVE和SVE2的优势还在于其可变的向量大小，范围覆盖了128bits到2048bits，让其无论在什么硬件运行，都允许向量的可变粒度为128b。如果纯粹从向量处理和编程的角度来看，这意味着软件开发人员将只需要编译一次其代码，并且如果将来某个CPU带有本地的512b SIMD execution pipelines，该代码将能够充分利用单元的整个宽度。同样，相同的代码将能够在具有较低硬件执行宽度能力的保守设计上运行，这对于Arm设计从物联网、移动到数据中心的CPU而言至关重要。在保留Arm体系结构的32bits编码空间的同时，它还可以完成所有这些工作。然而类似X86这样的架构则需要根据矢量尺寸增加新的指令和扩展。

ARM处理器分类

ARM分类

ARM公司自 2004 年推出的 ARMv7 内核架构时，摒弃了以往 “ARM+数字” 这种命名方法（ARM11之前的处理器统称为经典处理器系列（老东西系列）），重新启用 Cortex 来命名，并且将 Cortex 系列细分三大类

• Cortex-AApplication Processors 应用处理器：面向 性能密集型系统 的应用处理器内核
  • 面向移动计算，智能手机，服务器等市场的的高端处理器。这类处理器运行在很高的时钟频率（超过 1GHz），支持像 Linux，Android，MS Windows 和移动操作系统等完整操作系统需要的内存管理单元（MMU）。如果规划开发的产品需要运行上述其中的一个操作系统，你需要选择 ARM应用处理器
• Cortex-RReal-time Processors 实时处理器： 面向 实时应用 的高性能内核
  • 面向实时应用的高性能处理器系列，例如硬盘控制器，汽车传动系统和无线通讯的基带控制。多数实时处理器不支持 MMU，不过通常具有 MPU、Cache 和其他针对工业应用设计的存储器功能。实时处理器运行在比较高的时钟频率（例如 200MHz 到 >1GHz ），响应延迟非常低。虽然实时处理器不能运行完整版本的 Linux 和 Windows 操作系统，但是支持大量的实时操作系统（RTOS）。
• Cortex-MMicrocontroller Processors 微控制器处理器： 面向 **各类嵌入式应用 **的微控制器内核
  • 微控制器处理器通常设计成面积很小和能效比很高。通常这些处理器的流水线很短，最高时钟频率很低（虽然市场上有此类的处理器可以运行在 200Mhz 之上）。并且，新的 Cortex-M处理器家族设计的非常容易使用。因此，ARM 微控制器处理器在单片机和深度嵌入式系统市场非常成功和受欢迎

• ARM老东西
  • ARM7【ARMv4】
  • ARM9【ARMv5】
  • ARM11【ARMv6】
• ARM Cortex系列
  • Cortex-M
    • Cortex-M0【ARMv7】面向低成本和超低功耗深度嵌入应用的处理器
    • Cortex-M1【ARMv7】针对FPGA设计优化的小处理器，利用FPGA上的存储器块实现紧耦合内存，和Cortex-M0有相同的指令集
    • Cortex-M3【ARMv7】过渡的一个吧，性能不如M4，价格不如M0
    • Cortex-M4【ARMv7】具备M3所有的功能，多了DSP数字信号的处理指令集，支持浮点运算
    • Cortex-M7【ARMv7】针对高端微控制器，具备M4所有功能，支持双精度浮点运算，有扩展存储器的功能，例如Cache和紧耦合存储器TCM
    • Cortex-M23【ARMv8】面向超低功耗，和M0相似，有一定增强，并且支持TrustZone安全扩展
    • Cortex-M33【ARMv8】和M4处理器类似，性能更高，支持TrustZone安全扩展
  • Cortex-R
    • Cortex-R4【ARMv7】
    • Cortex-R5【ARMv7】
    • Cortex-R7【ARMv7】
    • Cortex-R8【ARMv7】
    • Cortex-R52【ARMv7】
  • Cortex-A
    • Cortex-A5【ARMv7】
    • Cortex-A7【ARMv7】
    • Cortex-A8【ARMv7】
    • Cortex-A9【ARMv7】
    • Cortex-A15【ARMv7】
    • Cortex-A53【ARMv8】
    • Cortex-A57【ARMv8】
    • Cortex-A73【ARMv8】
    • Cortex-A75【ARMv8】
    • Cortex-A510【ARMv9】
    • Cortex-A710【ARMv9】
    • Cortex-A715【ARMv9】
    • Cortex-A720【ARMv9】
    • Cortex-X 整体设计思路与A系列保持一致
      • Cortex-X1【ARMv9】
      • Cortex-X2【ARMv9】
      • Cortex-X3【ARMv9】
    • Neoverse？TODO，待梳理
• Cortex-M SecureCore
• ARM Neoverse

Cortex-A系列演进关系

• 超大核

• 大核
  • A8→A9→A15→A57→A72→A73→A75→A76→A77→A78→A710→A715
• 小核
  • A9→A7→A53→A55→73→A510

ARM处理器设计团队

ARM处理器主要出自Austin、Sophia、Cambridge三个Team之手，主要处理器如下

• Austin (Texas)
  • Cortex-A8, Cortex-A15, Cortex-A57, Cortex-A72, Cortex-A76, Cortex-A77, Cortex-A78
  • Cortex-X1, Cortex-X2, Cortex-X3
  • Neoverse N1, Neoverse N2, Neoverse V1
• Sophia-Antipolis (France)
  • ARM11, Cortex-A9, Cortex-A12, Cortex-A17, Cortex-A73, Cortex-A75
• Cambridge (UK)
  • Cortex-A5, Cortex-A7, Cortex-A53, Cortex-A35, , Cortex-A55

---

参考

• 尝试梳理下ARM处理器的发展历史 (qq.com)
• List of ARM processors - Wikipedia
• 到底什么是Cortex、ARMv8、arm架构、ARM指令集、soc？一文帮你梳理基础概念【科普】 - 知乎 (zhihu.com)