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ARM是一种基于精简指令集（RISC）的处理器架构，它由英国的ARM公司设计和授权。

ARM芯片具有低功耗、高性能、高集成度等特点，广泛应用于嵌入式系统、移动设备、物联网、服务器等领域。本文将介绍ARM的各类芯片，包括其特点、分类、代表产品和最新动态。

一、常见处理器架构

处理器架构指的是处理器的内部结构和功能，也就是处理器如何执行指令和数据的方式。不同的处理器架构有不同的指令集，也就是处理器能够理解和执行的基本操作。处理器架构对于处理器的性能、功耗、兼容性等方面有重要的影响。

常见的架构有x86、ARM、RISC-V和MIPS。

• X86：这是英特尔和AMD的“专属”架构，主要用于PC、服务器和云计算领域，拥有高性能、高速度和高兼容性的优势。在PC市场上，X86架构几乎独霸多年，占据了超过90%的份额。在服务器市场上，X86架构也占据了约80%的份额，但近年来受到ARM和RISC-V等架构的挑战。
• ARM：这是一种低功耗、低成本的架构，主要用于移动设备、物联网、嵌入式系统和边缘计算领域，拥有节能、灵活和可定制的优势。在移动设备市场上，ARM架构占据了绝对优势，几乎所有的智能手机、平板电脑和智能手表都使用了基于ARM的芯片。在物联网市场上，ARM架构也占据了约70%的份额，成为最受欢迎的架构之一。
• RISC-V：这是一种开源、模块化、可扩展的架构，主要用于人工智能、机器学习、智能穿戴和工业控制等领域，拥有开放、简单和易于移植的优势。RISC-V架构是近年来崛起的新星，受到了许多芯片公司和技术巨头的青睐。在人工智能市场上，RISC-V架构预计将占据约20%的份额，在智能穿戴市场上，RISC-V架构预计将占据约10%的份额。
• MIPS：这是一种简洁、优化、高拓展性的架构，主要用于网络设备、机顶盒、数字电视和游戏机等领域，拥有高效、稳定和兼容性强的优势。MIPS架构是一种历史悠久的架构，曾经在网络设备市场上占据了较高的份额，但近年来受到了ARM和RISC-V等架构的冲击。在网络设备市场上，MIPS架构预计将占据约10%的份额，在机顶盒市场上，MIPS架构预计将占据约5%的份额。

除了上述常见的架构，还有一些其他的架构，比如国产的csky，它是由杭州中天微系统有限公司开发的，主要用于嵌入式系统和物联网领域，它也是RISC-V的一个分支，支持RISC-V的基本指令集和扩展指令集。我用过使用这种架构的芯片：w800。

二、ARM 芯片的特点

ARM芯片的主要特点有以下几点：

• 精简指令集：ARM芯片使用精简指令集，即每条指令只完成一项简单的操作，从而提高指令的执行效率和处理器的性能。相比之下，复杂指令集（CISC）的指令可以完成多项复杂的操作，但是需要更多的硬件资源和执行时间。
• 负载/存储架构：ARM芯片使用负载/存储架构，即只有专门的负载和存储指令可以访问内存，其他指令只能在寄存器之间进行操作。这样可以减少内存访问的次数和延迟，提高数据处理的速度。相比之下，寄存器/内存架构的处理器可以直接在内存和寄存器之间进行操作，但是会增加内存访问的开销。
• 统一寄存器文件：ARM芯片使用统一寄存器文件，即所有的通用寄存器都可以用于任何目的，没有专门的数据寄存器或地址寄存器。这样可以提高寄存器的利用率和灵活性，减少数据移动的开销。相比之下，分段寄存器文件的处理器需要区分不同类型的寄存器，并进行相应的转换。
• 条件执行：ARM芯片支持条件执行，即每条指令都可以根据一个条件码来决定是否执行。这样可以减少分支指令的使用，提高代码密度和流水线效率。相比之下，非条件执行的处理器需要使用专门的分支指令来实现条件跳转。
• 多种工作模式：ARM芯片支持多种工作模式，例如用户模式、系统模式、管理模式、中断模式、异常模式等。不同的工作模式有不同的权限和功能，可以实现不同级别的任务切换和异常处理。相比之下，单一工作模式的处理器需要使用软件来模拟多任务和异常处理。

三、ARM芯片的分类

ARM芯片可以根据其架构版本、核心类型、应用领域等方面进行分类。以下是常见的分类方法：

3.1 按架构版本分类

ARM架构从最早的ARMv1到最新的ARMv9，经历了多次升级和改进，增加了许多新的特性和功能。不同版本的ARM架构有不同的指令集、寄存器、异常模型等。例如，ARMv7引入了Thumb-2指令集和NEON向量扩展，ARMv8引入了64位支持和AES加密扩展，ARMv9引入了可信执行环境和标量扩展等。

3.2 按核心类型分类

ARM核心是指实现了某个版本ARM架构的具体处理器设计，它由ARM公司设计并授权给其他厂商生产。不同类型的ARM核心有不同的性能、功耗、面积等。例如，Cortex-A系列是针对高性能应用的核心，Cortex-R系列是针对实时应用的核心，Cortex-M系列是针对微控制器应用的核心等。

3.3 按应用领域分类

ARM芯片可以根据其应用领域的不同，分为不同的系列和产品。

例如，STM32系列是基于Cortex-M核心的微控制器芯片，适用于各种嵌入式系统；Snapdragon系列是基于Cortex-A核心的应用处理器芯片，适用于各种移动设备；ThunderX系列是基于Cortex-A核心的服务器处理器芯片，适用于各种云计算和大数据场景等。

四、ARM芯片的代表产品

ARM芯片有许多代表产品，以下是一些常见的例子：

• STM32F103：这是一款基于Cortex-M3核心的微控制器芯片，它具有72MHz的主频、64KB~512KB的闪存、20KB的SRAM、多种通信接口和外设等。它适用于各种工业控制、消费电子、物联网等领域。

• Raspberry Pi 4：这是一款基于Cortex-A72核心的单板计算机，它具有1.5GHz的主频、2GB~8GB的内存、双频Wi-Fi、蓝牙5.0、千兆网口、两个HDMI接口等。它适用于各种教育、创客、媒体中心等场景。
  

• Apple M1：这是一款基于自定义ARMv8.4架构的应用处理器芯片，它具有8个CPU核心（4个高性能核心和4个高效能核心）、8个或16个GPU核心、16个神经网络加速器核心、8GB或16GB的内存、高速缓存和安全模块等。它适用于苹果公司的IPad、MacBook Air、MacBook Pro、Mac mini和iMac等产品。
  

• Ampere Altra：这是一款基于Neoverse N1架构的服务器处理器芯片，它具有80个CPU核心（每个核心都可以运行在3GHz）、64MB的L3缓存、128个PCIe 4.0通道、8个内存通道（支持DDR4-3200）等。它适用于各种云计算、边缘计算、高性能计算等场景。
  

五、ARM芯片的最新动态

ARM芯片在不断地发展和创新：

• 2021年3月，ARM公司发布了ARMv9架构，这是ARM架构十年来的第一次重大升级。ARMv9架构增加了许多新的特性和功能，例如可信执行环境（TEE）、标量扩展（SVE）、实时扩展（RTE）、内存标签扩展（MTE）等。ARMv9架构旨在提高安全性、性能和人工智能能力，满足未来十年的需求。
  

• 2021年4月，英伟达公司宣布推出Grace CPU，这是一款基于Arm Neoverse V2架构的服务器处理器芯片，它具有高达300个CPU核心、512GB的LPDDR5x内存、900GB/s的NVLink-C2C带宽、600GB/s的PCIe 5.0带宽等。它适用于各种大规模的AI和HPC应用，例如自然语言处理、推荐系统、超级计算等。
  

• 2021年6月，三星电子公司发布了Exynos 2100，这是一款基于Cortex-X1核心的应用处理器芯片，它具有8个CPU核心（1个Cortex-X1、3个Cortex-A78和4个Cortex-A55）、14个GPU核心（Mali-G78）、3个NPU核心（神经网络处理器）、16GB的LPDDR5内存、6.7GB/s的UFS 3.1存储等。它适用于各种高端的智能手机和平板电脑等产品。
  

• 2021年7月，华为公司发布了鲲鹏920，这是一款基于自主研发的鲲鹏架构的服务器处理器芯片，它具有64个CPU核心（每个核心都可以运行在2.6GHz）、8个内存通道（支持DDR4-2933）、40个PCIe 4.0通道、100Gb RoCEv2网络接口等。它适用于各种云计算、边缘计算、大数据分析等场景。
  

• 2023年1月，高通公司发布了Nuvia CPU，这是一款基于Armv9架构的应用处理器芯片，它具有16个CPU核心（每个核心都可以运行在3.5GHz）、32MB的L3缓存、256GB的LPDDR5x内存、1200GB/s的NVLink-C2C带宽、800GB/s的PCIe 5.0带宽等。它适用于各种高性能的移动设备和笔记本电脑等产品。
  

六、Sample

6.1 Apple

6.1 A 系列

6.2 M 系列

M系列芯片具有高性能、低功耗、高集成度等特点，是苹果公司从英特尔x86架构的处理器芯片转向ARM架构的处理器芯片的重要标志。本文将介绍苹果M系列芯片的各个型号，包括其特点、性能、功能和应用等。

6.2 STM32 系列

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