ARM工藝及能耗發(fā)展概況

ARM系列是英國(guó)先進(jìn)RISC機(jī)器公司（Advanced RISC Machines，ARM）公司的產(chǎn)品。第一個(gè)基于RISC指令集的ARM芯片是在1985年開(kāi)始設(shè)計(jì)的，采用的是典型的32位RISC體系結(jié)構(gòu)，其指令的擁有4位的寄存器地址域，可以訪問(wèn)R0-R15這16個(gè)寄存器。而其他的寄存器只有在特殊的情況下才可以訪問(wèn)到。

ARM使用了標(biāo)準(zhǔn)的、固定長(zhǎng)度的32位指令格式，所有的ARM指令使用了4位的條件碼來(lái)決定該指令是否應(yīng)當(dāng)執(zhí)行，這種方式可以解決一些條件分支的問(wèn)題，從而對(duì)代碼的密度和性能都有好處，編譯也因此也可以顯示的控制指令的執(zhí)行。

由于體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及器件技術(shù)上的特點(diǎn)，可以使得ARM處理器可以與一些復(fù)雜得多的微處理器相抗衡，特別是在需要很少能耗的嵌入式處理場(chǎng)合。

1990年，ARM公司成立了。在ARM7中，將ARM體系結(jié)構(gòu)完全擴(kuò)展到32位（原來(lái)的ARM處理器只有26位的地址空間），并將主頻提升到40MHz，另外還集成了一個(gè)8KB的Cache。比較有趣的是，ARM7可以支持一種稱為"Thumb"的模式，可以運(yùn)行新的16位指令。這主要是通過(guò)在ARM7芯片的指令預(yù)取階段增加一個(gè)硬件，完成Thumb指令到正常的32位RISC指令來(lái)達(dá)到目的的。通過(guò)引入Thumb模式，可以使得只需要付出很少的硬件代價(jià)，就可以將代碼的密度提升大約25%-35%，并使得應(yīng)用的運(yùn)行更為迅速。

1995年，ARM、Apple、DEC公司聯(lián)合聲明將開(kāi)發(fā)一種用于PDA的高性能、低功耗的微處理器，主要是基于ARM體系結(jié)構(gòu)的。DEC將自己在MPU設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢(shì)帶入ARM芯片設(shè)計(jì)中。一年后，StrongARM SA-110問(wèn)世了，并成為嵌入式微處理器設(shè)計(jì)的一個(gè)里程碑。

StrongARM SA-110可以工作在200MHz，而能耗不到1瓦。在體系結(jié)構(gòu)上，
StrongARM將原來(lái)ARM中的三級(jí)流水線擴(kuò)展到五級(jí)，在器件工藝上，大量采用了最新的體系結(jié)構(gòu)和器件技術(shù)，大大降低了芯片工作時(shí)的能耗。

StrongARM的出現(xiàn)并不是ARM發(fā)展歷程上的唯一分支。1996年，ARM8發(fā)布了，采用同樣的三級(jí)流水線，并在72MHz條件下，達(dá)到了84MIPS的指標(biāo)。而在1997年，ARM9內(nèi)核采用了與StrongARM相同的五級(jí)流水線。ARM9TDMI在0.35um工藝條件下，可以在200MHz達(dá)到220MIPS的性能。ARM9的另外一個(gè)版本ARM9E對(duì)SIMD做了增強(qiáng)，包括8位和16位SIMD加法和減法，16位和32位乘法，以及相應(yīng)的算術(shù)操作等。

1997年，Intel接管了StrongARM，并開(kāi)發(fā)了幾個(gè)后續(xù)產(chǎn)品。1998年，Intel開(kāi)始用0
.18um工藝生產(chǎn)StrongARM處理器。在1999年度嵌入式微處理器論壇上，Intel宣布將在其第二代StrongARM中采用7級(jí)流水線，并在0.18um工藝條件下，達(dá)到600MHz的速度，而能耗將僅僅為不到0.5瓦，同時(shí)，將新的微處理器命名為StrongARM Xscale。

StrongARM的出現(xiàn)并不是ARM發(fā)展歷程上的唯一分支。1996年，ARM8發(fā)布了，采用同樣的三級(jí)流水線，并在72MHz條件下，達(dá)到了84MIPS的指標(biāo)。而在1997年，ARM9內(nèi)核采用了與StrongARM相同的五級(jí)流水線。ARM9TDMI在0.35um工藝條件下，可以在200MHz達(dá)到220MIPS的性能。

ARM9的另外一個(gè)版本ARM9E對(duì)SIMD做了增強(qiáng)，包括8位和16位SIMD加法和減法，16位和32位乘法，以及相應(yīng)的算術(shù)操作等。

ARM9EJ是ARM9E在Java支持上的增強(qiáng)版本。它采用了類似Thumb的機(jī)制，通過(guò)很少的硬件代價(jià)，可以使大多數(shù)Java虛擬機(jī)字節(jié)碼可以加速執(zhí)行，更為復(fù)雜的Java虛擬機(jī)字節(jié)碼可以通過(guò)軟件的方式執(zhí)行。這樣，可以使得Java虛擬機(jī)字節(jié)碼的執(zhí)行速度提升了大約8倍左右。這對(duì)于嵌入式場(chǎng)合的Java應(yīng)用無(wú)疑是極其有效的。

ARM的成功在于它極高的性能以及極低的能耗，使得它能夠與高端的MIPS和PowerPC嵌入式微處理器相抗衡。另外，即使根據(jù)市場(chǎng)需要進(jìn)行功能的擴(kuò)展，也是ARM取得成功的一個(gè)重要因素。隨著更多廠商的支持和加入，可以預(yù)見(jiàn)，在將來(lái)一段時(shí)間之內(nèi)，ARM仍將主宰32位嵌入式微處理器市場(chǎng)。

ARM取得了極大的成功，世界上幾乎所有主要的半導(dǎo)體廠商都從ARM公司購(gòu)買ARM ISA許可。

目前ARM系列芯片已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于移動(dòng)電話、手持式計(jì)算機(jī)以及各種各樣的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，成為世界上銷量最大的32位微處理器。

ARM也在向64位微處理器的方向發(fā)展。