ARM和英特爾還有一場“硬仗”要打！

?

4.ARM 的經(jīng)營之道

既然不設(shè)計(jì)芯片，而且沒有硬件，那么 ARM 的收益從何而來？

ARM 專利技術(shù)收入主要來自兩個方面：

一個是專利授權(quán)費(fèi)用，客戶如果采用 ARM 專利時一次性付給 ARM 的費(fèi)用；
另一部分是按照一定比例收取客戶產(chǎn)品的專利使用費(fèi)，即客戶每賣出一片芯片，就收取同等比例的費(fèi)用。

這兩項(xiàng)收入占公司總收入的 70%。

通過前面的描述，沒有理由不相信這個數(shù)據(jù)的可靠性。

以我國為例，目前在中國已經(jīng)有中興通訊，中芯國際和上海華虹購買了 ARM 的內(nèi)核授權(quán)，生產(chǎn)自己的芯片。ARM 中國方面的業(yè)務(wù)的其它重點(diǎn)還在于對芯片設(shè)計(jì)公司(fables)的支持，開展大學(xué)計(jì)劃等。同時 ARM 中國還計(jì)劃授權(quán)各合作伙伴，開辦 ARM 技術(shù)培訓(xùn)班，并為合作伙伴的老師提供培訓(xùn)，另一方面，也將和國內(nèi)大學(xué)開展大學(xué)合作計(jì)劃，加大 ARM 技術(shù)推廣和普及的力度，幫助中國的電子工程師迅速和國際接軌，并掌握最新的電子設(shè)計(jì)技術(shù)。

一般來說，ARM 的合作伙伴分為三種：

(1) EDA 伙伴計(jì)劃，融合了 ARM 在線系統(tǒng)設(shè)計(jì)、可重復(fù)使用 IP 生成和 IP 模型等方面的專長與領(lǐng)先 EDA 工具廠商的專業(yè)特長，開發(fā) SoC 產(chǎn)品。

(2) ARM 技術(shù)共享計(jì)劃，為 ARM 與外部設(shè)計(jì)服務(wù)公司合作關(guān)系的擴(kuò)展和規(guī)范化結(jié)果，現(xiàn)在已經(jīng)有 2900 多工程師成員。

(3) 制造商計(jì)劃，使新興市場的 OEM 能分享 ARM 處理器技術(shù)，用于設(shè)計(jì)和制造先進(jìn)的 SoC 解決方案。

總之，ARM 是英國全球著名的 32 位嵌入式 RISC 芯片內(nèi)核的設(shè)計(jì)公司，也是 ARM 的產(chǎn)品商標(biāo)，其產(chǎn)品 ARM 嵌入式內(nèi)核已被全球各大芯片廠商采用，基于 ARM 的開發(fā)技術(shù)席卷了全球嵌入式市場，已成為嵌入式系統(tǒng)主流技術(shù)之一。

5.ARM 的產(chǎn)品體系
(1)經(jīng)典 ARM 處理器
這一系列包括的處理器架構(gòu)有：

該系列的特點(diǎn)只有兩個字：穩(wěn)定。適用于那些希望在新應(yīng)用中追求穩(wěn)定的產(chǎn)品。

這些處理器提供了許多的特性、卓越的功效和范圍廣泛的操作能力，適用于成本敏感型解決方案。這些處理器每年都有數(shù)十億的發(fā)貨量，因此可確保設(shè)計(jì)者獲得最廣泛的體系和資源，從而最大限度地減少集成過程中出現(xiàn)的問題并縮短上市時間。

(2)ARM Cortex 嵌入式處理器
這一系列的處理器架構(gòu)有：

主要是針對微控制器領(lǐng)域開發(fā)的，在該領(lǐng)域中，既需進(jìn)行快速且具有高確定性的中斷管理，又需將門數(shù)和可能功耗控制在最低；而 Cortex-R 系列處理器的開發(fā)則面向深層嵌入式實(shí)時應(yīng)用，對低功耗、良好的中斷行為、卓越性能以及與現(xiàn)有平臺的高兼容性這些需求進(jìn)行了平衡考慮。

?

(3)ARM Cortex 應(yīng)用程序處理器
這一系列包括的處理器架構(gòu)只有 Cortex-A 系列，開放式操作系統(tǒng)的高性能處理器。
Cortex-A 在高級工藝節(jié)點(diǎn)中可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 2GHZ+的主頻，也正是由于如此卓越的性能，該處理器架構(gòu)可用于下一代 Internet 設(shè)備，而且該系列提供單核和多核多種種類，并且提供 NEON 多媒體處理模塊的四種選擇和高級浮點(diǎn)執(zhí)行單元和處理單元。

(4)ARM 專家處理器
這一系列包括的處理器架構(gòu)有兩個：
SecurCore——面向高安全性應(yīng)用的處理器。
FPGA 內(nèi)核——面向 FPGA 的處理器。

該系列的處理器主要是為了滿足一些特定市場的苛刻需求。SecurCore 可以用于手機(jī) SIM 卡和其他識別應(yīng)用，集成了多種既可以為用戶提供卓越性能，又可以檢測和避免安全攻擊的技術(shù)。

6.ARM 指令集
談到 ARM 的指令系統(tǒng)，必須先明確一點(diǎn)的就是，ARM 體系結(jié)構(gòu)不同于 x86，它是 RISC 體系結(jié)構(gòu)。所以，在 ARM 指令體系中，各指令相對來說更加規(guī)整、對稱、簡單的，而且指令小于 100 條，基本尋址方式只有 2~3 種，而且指令字長都比較一直，并都在單個時鐘周期內(nèi)完成，以便于流水操作。

(1) ARM 處理器支持的指令集
ARM 處理器可以支持 3 種指令集——ARM，Thumb 和 Jazelle。采用那種指令集，由 cspr 中的標(biāo)志位來決定。大體說來：

• ARM：這是 ARM 自身的 32 位指令集；
• Thumb ：這是一個全 16 位的指令集，在 16 位外部數(shù)據(jù)總線寬度下，這個指令集的效率要比 32 位的 ARM 指令高一些。
• Jazelle：這是一個 8 位指令集，用來加速 Java 字節(jié)碼的執(zhí)行。

ARM 指令集可以是 32 位長的 ARM 指令，也可以是 16 位長的 Thumb 指令，這主要是為了兼容數(shù)據(jù)總線為 16 位的應(yīng)用系統(tǒng)。所有的 Thumb 指令都有對應(yīng)的 ARM 指令，Thumb 只是 ARM 的一個真子集，而且 Thumb 指令舍棄了 ARM 指令集的一些特性，如大多數(shù) Thumb 指令都是無條件執(zhí)行的，而幾乎所有的 ARM 指令都是有條件執(zhí)行的，又如大多數(shù)的 Thumb 指令由于長度有限，目的寄存器是源寄存器中的一個，這跟 x86 的匯編指令集相似。

Thumb 指令的優(yōu)點(diǎn)在于它可以在保留 32 位代碼優(yōu)勢的同時，大大節(jié)省系統(tǒng)的存儲空間，因?yàn)樵?Thumb 指令集中的操作數(shù)仍然是 32 位的，指令地址也是 32 位的，只是指令編碼變成了 16 位，而 ARM 指令則為 32 位，所以，相比之下，實(shí)現(xiàn)同樣的功能，Thumb 指令的條數(shù)要比 ARM 略多。

下面以一個實(shí)例，對 Thumb 狀態(tài)和 ARM 狀態(tài)進(jìn)行比較。
指令： Add Rd，#Constant

Thumb 指令和 ARM 指令的比較

下面來看一下關(guān)于 Jazelle 指令。

Jazelle DBX（Direct Bytecode eXecution）是一種硬件架構(gòu)擴(kuò)展技術(shù)，為 ARM 處理器引入了第三套指令集—Java 字節(jié)碼。新指令集建立了一種新的狀態(tài)，處理器在此狀態(tài)下處理 Java 字節(jié)碼取指令、譯碼和維護(hù) Java 操作數(shù)棧等任務(wù)。允許它們在某些架構(gòu)的硬件上加速執(zhí)行 Java 字節(jié)碼，就如其他執(zhí)行模式般，它能在現(xiàn)存的 ARM 與 Thumb 模式之間互相切換。為了降低芯片尺寸并提高性能，Jazelle DBX 沒有設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)形式的微引擎，而是融入流水線中的一個有限狀態(tài)機(jī)。如下圖所示。

加入了 Java 硬件加速的 ARM 流水線示意圖

Jazelle DBX 技術(shù)增加了一條新的“Branch-to-Java”指令來進(jìn)入 Java 狀態(tài)。在 ARM 處理器的 Java 狀態(tài)下，有若干個 ARM 寄存器可以功能復(fù)用 。正是這些硬件復(fù)用設(shè)計(jì)，才使得只用了很少的額外邏輯（約一萬兩千門）就實(shí)現(xiàn)了一個 Java 機(jī)。

(2) ARM 指令與 x86 指令的比較
整個 ARM 指令集由數(shù)據(jù)處理指令、分支指令、Load-Store 指令、程序中斷指令和一些系統(tǒng)控制指令構(gòu)成，除了 Load-Store 指令外，其他部分和 x86 指令集是比較類似的。

但和 x86 相比，ARM 指令最顯著的特點(diǎn)它們都是 32-bit 定長的。

另外，由于 ARM 是基于 RISC 指令集的，所以 CPU 只處理在寄存器中的數(shù)據(jù)并通過獨(dú)立的 load-store 指令在內(nèi)存和寄存器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞。

?

在使用方面，ARM 指令的格式也要比 Intel 的復(fù)雜些。一般說來，一條 ARM 指令有如下的形式：

{S} [Rd]， [Rn]， [Rm]，其中：
{S}：加上這個后綴的指令會更新 cpsr 寄存器；
[Rd]：目的寄存器；
[Rn]/[Rm]：源寄存器。

一般來說，ARM 指令有 3 個操作數(shù)，其中 Rm 寄存器在執(zhí)行指令前可以進(jìn)入桶形移位器進(jìn)行移位操作，而 Rn 則會直接進(jìn)入 ALU 單元。如果一條 ARM 指令只有 2 個操作數(shù)，那么源寄存器按照 Rm 來處理。例如，一條加法指令：

add r0,r1, #1

就會把 r1+1 的結(jié)果存放到 r0 中。

在熟悉了基本的匯編格式后，讀者就可以自行去查詢基本的 ARM 匯編指令了，下面簡單介紹一下 ARM 中比較有特色部分——Load-Store 指令結(jié)構(gòu)，由于 ARM CPU 并不直接處理內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，這個指令體系就擔(dān)起了在寄存器和內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)的重要媒介。

ARM 的訪存采用的都是 LOAD-STORE 結(jié)構(gòu)，雖然它要比 x86 的內(nèi)存訪問機(jī)制復(fù)雜一些，但是有個最大的好處，就是可以把每條指令的執(zhí)行時間都平均化，有助于高效的流水線的實(shí)現(xiàn)，采用這種結(jié)構(gòu)也就同時意味著指令都要在寄存器間進(jìn)行操作，所以 ARM 體系中有大量的寄存器（不少于 32 個）。

由于篇幅的原因，關(guān)于 LOAD-STORE 體系結(jié)構(gòu)，在這里不再贅述，有興趣的讀者可以查閱相關(guān)的資料。

7.ARM 的未來
眾所周知，ARM 幾乎壟斷了手機(jī)和嵌入式芯片市場，不過進(jìn)入 2010 年以來，關(guān)于手機(jī)芯片巨頭 ARM 公司要進(jìn)軍服務(wù)器領(lǐng)域的消息多了起來，其中有捕風(fēng)捉影、繪聲繪色的傳聞，也有正兒八經(jīng)的新聞發(fā)布。

傳聞也好，新聞也罷，消息一出，引發(fā)的卻是行業(yè)的大討論：

一個在手機(jī)領(lǐng)域占了 90%以上份額的芯片，為什么突然對服務(wù)器感興趣?

是不務(wù)正業(yè)，還是用意高遠(yuǎn)?

ARM 公司及其用戶拿什么去從 Intel 們、IBM 們的嘴里奪食?是不自量力，還是另有高招?
ARM 芯片在手機(jī)和嵌入式市場取得成功，是否意味著在用戶需求和生態(tài)系統(tǒng)都更加復(fù)雜的服務(wù)器領(lǐng)域也能獲得一席之地呢?

對于這些真假難辨的消息，讀者該如何看？

沒有金剛鉆，別攬瓷器活。有人替 ARM 擔(dān)心，有人替 ARM 叫好。

分析一下，不難發(fā)現(xiàn) ARM 芯片主要憑借的是兩大優(yōu)勢：低價(jià)、低功耗，不足之處也有很多：芯片架構(gòu)需要重新設(shè)計(jì)去實(shí)現(xiàn)更多企業(yè)特性需求如緩存一致性、容錯與高可用等，軟件生態(tài)環(huán)境需要重新梳理和打造，不支持 64 位應(yīng)用等。

?

接下來把市場上關(guān)于 ARM 服務(wù)器的消息傳聞串起來一看，其意圖不難理解，一切都是云計(jì)算和移動互聯(lián)網(wǎng)惹的禍!

如果簡單地把服務(wù)器看作云計(jì)算的代表設(shè)備，手機(jī)視作移動互聯(lián)網(wǎng)的代表設(shè)備，這兩者的架構(gòu)融合與互連互通也是必然所在。這也就不難理解，占據(jù)了 90%以上服務(wù)器市場份額的 Intel 一定要往移動嵌入式領(lǐng)域拓展，同樣，占據(jù)了 90%以上手機(jī)市場份額的 ARM 也一定會往后臺數(shù)據(jù)中心侵襲。只是，誰的架構(gòu)會一統(tǒng)天下，還是融合共處，現(xiàn)在誰也說不清，因?yàn)榻橇€沒真正開始。不過有一點(diǎn)可以確認(rèn)，那就是：

Intel 與 ARM 之間的“戰(zhàn)爭”不可避免的。

Intel 從 2008 年才推出的一款面向上網(wǎng)本、入門級 PC（Entry Level PC）、Tablet PC、智能手機(jī)以及其他一些手持設(shè)備的處理器——Atom 處理器。由此可見，Intel 的 Atom 架構(gòu)瞄準(zhǔn)的市場是已經(jīng)被 ARM 稱霸已久的移動計(jì)算領(lǐng)域，兩方的戰(zhàn)爭可見一斑。

Atom 是英特爾歷史上體積最小和功耗最小的處理器，其架構(gòu)至今為止經(jīng)歷了四次重大的革新，開創(chuàng)性在維持現(xiàn)有系統(tǒng)的高性能的同時地降低了功耗，使得制造輕薄的手持設(shè)備、Tablet PC、智能手機(jī)等成為可能。

從 Intel 投入的精力和一系列的動作上，不難看出 Intel 向彌補(bǔ)自己在移動計(jì)算領(lǐng)域缺席的決心。但是從時間上來看，Intel 同 ARM 相比起步晚太多了，除此之外，出于兼容性的考慮，Atom 在設(shè)計(jì)之初被無辜地套上了 CISC 的枷鎖，從而使得 Atom 處理器有一種背負(fù)歷史使命的厚重感，少了一些現(xiàn)代的輕盈與高效。所以至今為止，除了上網(wǎng)本有采用 Atom 架構(gòu)的處理器外其它移動計(jì)算設(shè)備很少有采用 Atom 處理器的。

這就是 Intel 的 Atom 在移動計(jì)算市場上的劣勢。

展望未來，即使 Intel 成功地實(shí)施了 Atom 戰(zhàn)略，將 x86 芯片的功耗和價(jià)格大大降低，它與 ARM 競爭也將非常吃力。因?yàn)?ARM 的商業(yè)模式是開放的，任何廠商都可以購買授權(quán)，所以未來并不是 Intel vs. ARM，而是 Intel vs. 世界上所有其他半導(dǎo)體公司。

未來孰勝孰負(fù)？貌似已成定局，但世事難料，一切皆有可能，我們靜觀其變。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，謝絕轉(zhuǎn)載！

系列匯總：

之一：第一款處理器之謎

之二：處理器的春秋戰(zhàn)國時代：8 位處理器的恩怨與紛爭（上）

之三：處理器的春秋戰(zhàn)國時代：8 位處理器的恩怨與紛爭（下）

之四：處理器的三國時代：蘋果攪動 MCU 江湖

之五：處理器的三國時代：DR 公司盛氣凌人，IBM 轉(zhuǎn)身成就微軟

之六：32 位處理器的攻“芯”計(jì)：英特爾如何稱霸 PC 江湖？

之七：AMD 稱霸 PC 處理器市場的“曇花一現(xiàn)”

之八：CPU 兩大陣營對擂，X86 構(gòu)架讓英特爾如日中天

之九：你知道 X86 構(gòu)架，你知道 SH 構(gòu)架嗎？

之十：SuperH 系列處理器：昔日惠普 Jornada PDA 的“核芯”

之十一：MIPS 構(gòu)架：曾經(jīng)是英特爾的“眼中釘”

之十二：MIPS 構(gòu)架之：我和龍芯有個約會

之十三：ARM 架構(gòu)：有處理器之處，皆有 ARM