arm芯片解密

从第一台电脑诞生开始，我们就谈到了单片机时代。麻雀虽然小而全，但它的处理能力毕竟很有限。现实世界中工业和技术的发展促使我们生产出更强大、更丰富的处理器。如果说单片机是“麻雀”，那么现实很可能需要一只“鹰”，更糟糕的是，它是巨型秃鹫中的“鹰哥”。

cpu性能提升与处理器集成

单片机的“工厂”相对简单，厂外的“道路”相对原始。为了更快更好地加工产品，处理器制造商不断扩大其性能工程。“工厂”越来越高，“装修”越来越精致，材料越来越好。后来简单来说，它也给“工厂”建了自己的院子和专属车道，外面的路也是不断的。路上也有专门负责不同对外职责的各种车辆。最后，所有这些功能组件集合在一起，形成一个“工厂”，旁边有一个专业的cpu，可能还有一个协处理器，几个级别的带缓冲区的cache和mmu，以及一个高带宽、高性能总线和各种外围ip的社区。现在说到处理器的概念，大部分都会参考这个社区。甚至当我们谈到cpu的时候，大部分都不仅仅是核心。我们似乎已经习惯了。

处理器界的明星们

从七八十年代开始，半导体行业蓄势待发，摩尔定律输出，如果把整个处理器类型的数量描述清楚，可以说是最后三天三夜。这里挑几个有代表性的明星产品来说一下，可以说处理器行业的老大哥英特尔特别有代表性，甚至在学校的微机原理课程中以这一类型为例，在pc和服务器行业的权威地位真的很难撼动。但是上一本书讲的是8086。这里我想以我们经常听到的几种处理器为代表，比如arm、powerpc、mips、dsp，加上fpga来谈谈它们的开发和连接。

arm处理器

说到arm，你就熟悉了。它具有体积小、功耗低、成本低、性能高、支持thumb(16位)/arm(32位)双指令集、与8位/16位设备兼容性好、寄存器使用广泛、指令执行速度快、寻址方式灵活简单、执行效率高、指令长度固定、大部分数据操作都在寄存器中完成等特点。

如果翻译arm这个词，一般是“advanced risc machines”，这是一款高性能的risc处理器。然后这个词又来了。什么是risc？

先说arm诞生的历史，说明risc在历史上的意义。

arm的历史

要说arm的历史，先说一个叫acorn的公司。据说1978年12月，一位物理学家和一位工程师在英国剑桥成立了剑桥处理小组，主要向当地市场供应电子设备。1979年，公司更名为橡子公司。公司最初打算用摩托罗拉的16位芯片搭建设备，但是发现了两个问题，一个是芯片有点慢，一个是有点贵。后来他们想找intel要80286芯片的设计资料，但是你知道，被拒绝后发生了什么？只能自己开发。

1985年，设计了第一代32位、6m hz处理器，用它搭建了一台risc指令集计算机，称为arm(橡子risc机)。这就是arm这个名字的由来(那么这是acorn还是advanced？有可能一开始叫acorn，后来发展成advanced版本。

1990年11月27日，橡子公司正式改组为arm计算机公司。苹果、芯片制造商超大规模集成电路(vlsi)和橡子(acorn)一起入股。据说公司的办公室是一个非常简陋的谷仓。

说一说risc吧：

risc被称为精简指令集计算机，中文意思是精简指令集计算机。什么是精简指令集？正是这种指令集结构可以优先选择使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；控制逻辑是主要方法，不需要或者少用微码控制。简单来说，程序指令被拆分成简单的指令，执行起来没有那么复杂。那么，一定有同学又说了，如果有简化指令集，是不是有复杂指令集？答案是肯定的，叫做cisc(complex instruction set computer)的复杂指令集计算机有什么特点？在cisc指令集中，大约20%的指令会被重复使用，占整个程序代码的80%。而剩下的指令很少使用，在编程中只占20%。

英特尔的x86，我们芯片行业的大哥，指令集复杂，芯片的性能达到了这样的水平，可见大哥的实力。至于复杂的指令集，留给热爱学习的同学吧，比如芯片行业的明星基本都是risc。

有很多故事，跳出历史的长河，文字太抽象。我们来看看arm芯片是什么样子的。

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这个小芯片被认为是arm非常早期的产品。我们可以看到，芯片核心的“工厂”是arm7tdmi-s，也就是我们常说的一种arm7。使用这种芯片时，往往被认为是“高级单片机”。在大家都很乐意在arm9上玩linux的设计期，这样的芯片还是有很多工程师在战斗。软件设计往往采用前后结合的设计方法，偶尔还会带有ucos-。

虽然这个小家伙主频只能几十兆，ram几十kb，flash 512 kb，但是运行一个几万行代码的软件没有压力，功耗低。最重要的外设丰富，各种串口、can、i2c、spi、定时器、ad等。可以轻松满足各种轻量化工业控制和汽车电子应用的需求。也许这个芯片也是很多工程师朋友嵌入式启蒙的核心。

这个芯片是“arm”，内部“小工厂”和“高速公路”采用arm标准的ahb总线，各种外设(小型货车)使用“apb”总线进行访问，轻巧而丰富。

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这种芯片结构看起来“简单”，重点是“工厂”的重建。一是工厂内部装修，换成了arm9tdmi，主频可以运行到三四百兆。此外，厂区增加了“门禁和门卫”(mmu)，c13专门帮助工作。院子里增加了一个快速的“缓存”，功能更加齐全和丰富。大货车(高速外设)比较丰富，满足视频处理的需求，小货车(低速外设)变化不大。

这个芯片，作为很多工程师和学生时代的“入门核心”，相信在很多学校都会勾起回忆，很多linux学习教程也是基于这个小芯片。

那么都是运行linux的吗？当然不是，操作系统肯定有自己的优势，但是裸机如果应用需求单一，操作系统功能不依赖，肯定是最高效的。从这个芯片的各种教程可以看出，入门时的简单控制是通过裸奔实现的。

我们讲过arm的历史和芯片的特点，列举了恩智浦和三星arm芯片的结构和组成特点。有一点需要注意的是，arm既不生产芯片，也不销售芯片，只销售芯片技术许可证，也就是说市场上的arm芯片不是这家公司制造的，人们只许可技术，不直接创造实体。记得几年前听过这么一句话：“一流公司做标准，二流公司做技术，”

所以回顾arm诞生和成长的历史，我们需要做一个产品，没有人给，于是我们把自己的努力投入到研究中，最终生产出了一个，风靡全球，走进每一个家庭。

还有什么和这个场景类似？曾经有一个哥哥想玩一个游戏，但是不是他自己写的，于是诞生了c语言和unix操作系统；曾经有一个学生练习写一个系统，并在电脑上运行。开源之后，伟大的linux出生；可能是python.

也许我们也可以在过早做一个研究之前考虑一下结果和收益，投入自己的兴趣，放纵一下自己的想法，坚持下去，因为你喜欢，你就可以投入你的热情，管理好它。总有一天，它可能会在你的朋友中流行起来，喝一口鸡汤，写完这篇文章。

arm芯片解密（arm芯片使用）

扩展阅读

电视cpu性能排行（电视芯片性能排行2020）

随着鸿蒙操作系统在荣耀视觉和vision pro电视上的推出，我们应该对比一下华为洪钧818、联发科mt5597、mt5596、陈静s905x、英伟达tegra x1等主流智能电视处理器

这些处理器支持玩4k hdr和智能操作系统。

目前大部分手机处理器都只用7nm制程，但是电视机和机顶盒用的芯片组大多都是28nm制程左右制造，其中nvidia tegra x1被普遍认为是android机顶盒最强大的芯片组，采用20nm制程生产，将升级到16nm制程。

新款华为洪湖818也采用了28nm工艺，但其参数规格远比其他电视上的芯片组强大。

它的四核设计使用了两个cortex-a72内核和两个cortex-a53内核，以及一个600兆赫兹频率和2gb内存的马里-g51 gpu。

你可能认为这种配置很一般，但没想到，它的参数规格比竞争对手好得多。

英伟达盾电视使用的英伟达tegra x1有两个cortex-a57和两个cortex-a53，虽然是基于maxwell 256 gpu使其在比赛中表现出色。

联发科mt5596在很多运行安卓的电视上都有，包括索尼、飞利浦、tcl。索尼af8上也用过，索尼网站上的55寸电视售价2299.00英镑。这个芯片有一个4k hdr处理器x1作为图像处理器。mt5596是一款采用马里t860 mp2的四核1.1ghz arm cortex-a53 cpu，采用28纳米制造工艺。

mt 5596支持hevc和vp9超高清编解码器和10位视频解码器。它可以解码四个全高清60帧视频流。如果使用dvr功能录制多个频道，会很方便。

今年联发科将芯片组升级到了mt5597，依然使用频率为1.0ghz的四核cortex-a53，使用未知型号的amr-mali gpu。

上图：amlogic crystal morning s905x在很多安卓机顶盒(如小米盒子)中使用。它使用了一个四核cortex-a53 cpu，28nm进程和mali-450 gpu。

与cortex-a72和a53相比，cortex-a72性能更好，因为它使用了3个超级标量，而不是a53的2个通道。当指令排队时，它还使用无序执行来更有效地使用指令周期，并且当必要的数据不可用时，它防止不可用的数据出现在顺序处理器上。

英伟达的tegra x1，cortex-a72，a57其实很像。同样的规格，在armv8-a的核心维基百科上几乎找不到区别，比较gpu有点困难，尤其是英伟达用的是一款maxwell gpu，比很多竞争对手的功能都强很多。可以提供和笔记本电脑、maxwell的桌面产品一样的功能，比如opengl 4.5、cuda 6.0、opengl es 3.1、directx 11.2。

maxwell gpu有256个着色核(2smms)，频率高达1000 mhz。内存接口提供的最大带宽为25.6 gb/s(2x 32位lpddr4-3200)。在3dmark运行的冰暴测试中，可以达到56k左右。

洪湖818 mali-g51 gpu，型号未注明，但与麒麟710相比，使用的处理器是arm mali-g51 mp4。3dmark冰风暴测试，这个分数达到20k左右，相当于maxwell gpu的一半。

上图：索尼af8采用联发科mt5596处理器

联发科mt5596上的gpu是mali-t860 mp2，测试只考了9.5k，性能减半。

所以总体来说，华为洪湖818处理器的参数性能非常好。

手机芯片排行天梯图（手机处理器最新排行榜）

手机的一个重要指标就是性能，性能分为综合性能、cpu性能和gpu性能。我们通常所说的性能是综合性能。一般来说，安兔兔跑分，测试结果就是综合表现。2020年最新手机处理器梯形图发布。让我们来看看你和小编手机的性能。是青铜吗？黄金？明星姚还是王者？

一、综合性能，手机综合性能的评价标准，一般来说，手机综合性能越强，cpu和gpu越强。目前，苹果的a13芯片是手机的高品质处理器，高通骁龙865和华为麒麟990 5g联发科天玑1000是高端芯片，是手机处理器之王。其他段可以依次向下排列。

第二，手机的cpu性能，cpu就是手机的计算速度。一般来说，手机的cpu频率越高，手机的cpu性能就越高。cpu排名：苹果a13 骁龙865 dimension 1000麒麟990 5g。从这个角度来说，华为麒麟芯片是高端处理器，但在cpu上并不占优势，所以华为芯片需要继续加油。

三、手机的gpu性能，主要是手机的图像渲染能力和图形处理能力。尤其是对于游戏来说，想要有更好的游戏体验，就必须把重点放在手机的gpu性能上。从gpu性能来说，还是苹果a13 骁龙865麒麟990 5g dimensity 1000。这里有一个现象，就是苹果a13芯片依然强势，高通gpu性能非常抢眼，甚至骁龙855已经超越麒麟990 5g，说明华为的gpu确实很弱，但是gpu性能差距在缩小。三星exynos 990的gpu也很强。

总的来说，2020年最新的手机处理器性能，从综合性能、cpu性能、gpu性能来看，苹果和华为处理器都只是自用，目前还是有局限性的。高通处理器被小米、oppo、vivo广泛应用于高端旗舰手机，可见高通芯片真的很强。看联发科能不能追上。

美国力保芯片领先者地位，制定十年计划，五个重大变革

“美国在科学技术领域的领先地位正面临来自战略竞争对手的日益严峻的挑战。这些竞争对手认识到科学技术的好处，并在全国范围内组织大量人力和资本资源，在具有长期影响的领域发挥主导作用。”美国在最新发布的《关键和新兴技术国家战略报告》中是这么说的。

文中提到的“战略竞争对手”方向性明确，容易联想。美国计划采取进一步行动扭转这一趋势。在报告中，美国将先进计算、先进材料、人工智能、生物技术、航空发动机技术、量子信息与科学、半导体和微电子等20项关键技术列为重点关注领域。

报告指出，该战略将围绕两大支柱来实施，以保护自己免受不公平竞争：

一是有计划地以私营部门的劳动力和投资者为重点，保持先进和高质量的研发；

第二是防止外国竞争对手从美国及其合作伙伴领导的创新中获利。此外，它还呼吁建立一个强有力的出口管制系统，以监管哪些技术可以出口到海外。

美国商务部长罗斯表示，“目前已有超过32项新兴技术被控制，我们将继续评估和确定需要控制的技术。”

总之，美国已经感受到了挑战，关键技术不会出口，而是会得到保护，投入巨资。

十年半导体规划

最近，由美国半导体工业协会(sia)和半导体研究联盟牵头的全球科技、国防和航天工业领导人联盟(src)发布了一份题为“半导体十年计划”的报告，确定了未来芯片技术的五大方向，并呼吁美国政府在未来十年每年投资34亿美元(是目前的三倍)，资助这五个领域的半导体研发。

这份报告总结了美国半导体行业领先世界的成功经验，积极投资研发支出33，354英镑。他们中的大多数每年将近20%的业务收入花在r&d，仅次于医*行业。此外，联邦政府对r&d半导体的资助也成为私人研发支出的催化剂，最终引领了这项技术。

同时也提到了存在的挑战和瓶颈。美国要想在未来十年保持半导体行业的领先地位，就必须把重点放在信息处理、传感、通信、存储和硬件安全五大领域，并给出相应的目标和行动计划，提前思考。总结了以下具体方案，对国内半导体行业的发展可能会有所启示。

五大变化

巨变一：模拟硬件方面需要根本性突破

对周围环境的感知是下一代人工智能的基础。下一代人工智能设备将具有感知和推理能力。全球机器界面是当前以信息为中心的经济的核心。下一波先进制造革命预计将来自下一代模拟驱动的工业电子产品。

行动呼吁：模拟人工智能平台、大脑灵感和分层计算或其他解决方案，为人类感知和认知系统创造多媒体，将产生以人为本的新技术。简而言之，合作研究将建立一个革命性的模式，为节能模拟集成电路在未来的广泛应用铺平道路。在这十年里，每年将有6亿美元投入到模拟电子产品的新发展轨道上。

宏伟目标：以更类似人脑的方式推动信息和数据的实际应用。

巨变二：全新的内存和存储解决方案

数据存储在全球呈指数级增长，而可用的硅供应仅呈线性增长，这需要更多资源来支持持续的数据爆款。今天的存储技术在不久的将来将是不可持续的。

存储器和存储需求以及硅增长预测

行动呼吁：在内存和数据存储方面取得根本性突破，合作研究，为未来的广泛应用提供大容量节能内存解决方案，在这十年内每年投资7.5亿美元在内存和存储的新发展轨道上。

宏伟目标：开发新的高密度存储和存储载体，提高各级存储结构的能效；探索具有100倍存储密度能力的存储技术，以及可以利用这些技术的全新存储系统。

巨变三：通信需要新的研究方向

世界技术信息存储需求和通信能力之间的差距日益扩大，信息生成和存储的爆款式增长将需要云存储和通信基础设施的巨大增长。虽然目前在不到一年的时间内传输全球存储的数据是可能的，但估计到2040年至少需要20年才能传输，这是一个令人担忧的趋势。

世界技术信息存储和传播能力预测

行动呼吁：为了满足日益增长的需求，有必要取得彻底的进展。例如，云技术可能会发生重大变化，重点将转移到边缘计算和本地数据存储。在这十年里，每年将有7亿美元投资于新的通信技术。

宏伟目标：先进的通信技术可以以1tbps的峰值速率移动100-1000 zet byte/年的所有存储数据，比目前的5g快100倍。

巨变四：硬件研究需要突破

当今高度相关的系统和应用程序需要安全性和隐私。公司网络、社交网络和自治系统都基于可靠和安全通信的假设，但它们也面临各种威胁和攻击，从泄露敏感数据到拒绝服务。

安全系统视图

随着新用例、新威胁和新平台的出现，安全和隐私领域正在发生快速变化。比如量子计算的出现会带来新的威胁向量。因此，有必要针对量子攻击开发新的加密标准，并考虑这些标准对系统性能的影响。

行动呼吁：保护机器学习或传统密码学中的弱点，保护个人数据隐私，解决供应链或硬件中的弱点。在这十年里，每年投资6亿美元用于信息和通信技术安全的新发展。

宏伟目标：开发与技术、新威胁和新用例同步的安全和隐私进步，如可信和安全的自主和智能系统、安全的未来硬件平台以及新兴的后量子和分布式加密算法。

巨变五：新的计算模式

设备规模接近基本物理极限，摩尔定律变慢。目前，对计算增长的需求超过了摩尔定律的发展，人们很快就会要求计算机技术发生革命性的变化。因此，需要从根本上提高计算的能效，避免“局限性”，计算的理论基础有待进一步发展。

当前cpu计算轨迹

行动号召和宏伟目标：新的计算方法，如内存计算、专用计算引擎、不同的人工智能平台、大脑启发/神经模拟计算、量子计算或其他解决方案，需要以异构方式结合。在这十年里，每年将投资7.5亿美元来改变计算方法的发展轨迹。

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美国十年半导体规划最让人印象深刻的是创新和前沿。无论是模拟芯片、传感器、存储还是通信，大目标基本都是新的，用了“革命”、“全新”、“全球”、“世界”等很多关键词。言下之意是，当你还在追赶当前的赛道时，我已经计划开一条新的赛道，继续领先。

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另外，你可以发现，除了数据和分析，整个报告中的行动计划和宏伟目标的内容有点像喊口号，而且很大声。短期看不到结果的目标看起来像口号，但当目标被分解并付诸行动时，就不再是口号了，所以世界上没有一个国家不喊口号。

与此同时，我们可以看到，占据全球半导体市场50%以上份额的美国，却有一种危机感。领导不是睡得香，而是野心勃勃，想着怎么继续领导。对于后来者来说，这样强大而清醒的对手压力很大，有危机感，但正是这种危机感迫使或促使它不得不前进，加速科技进步。这是良性的，在危险中是有机的，并不全是坏事。