大家好，這篇文章是我的朋友Michael Yao寫的，我覺得非常不錯，分享給大家。
1. 前言
本文嘗試簡單梳理下ARM處理器的發展曆史、架構的演進，包括不同處理器的應用方向，但我們重點還是圍繞Cortex-A系列展開，也會介紹不同微架構處理器之間的繼承關系，以及它們分别出自哪個設計團隊等。不出意外，這将會是一個系列，分别是ARM處理器及架構發展概述、ARMV7-A架構以及微架構分析、ARMv8-A架構以及微架構分析，一些關鍵技術如Trustzone/big.LITTLE/NEON/AMBA、以及整個ARM軟體生态的總體情況分析等。
2. ARM處理器發展曆史及商業模式
ARM的前身是英國劍橋的Acorn Computers ，1990年正式成立，從1997年釋出具有裡程碑意義的ARM9後，從此進入快速發展的階段。
ARM架構是當今世界上應用最廣的RISC處理器架構之一，憑借其開放架構授權的商業模式，以低功耗為特點，是嵌入式和移動處理器領域絕對的霸主。除了CPU，ARM還會提供Mali GPU、符合AMBA協定的總線設計、一些常見外設IP，包括配套軟體等一整套SoC解決方案。
ARM 的商業模式為IP授權，即通過知識産權授權的方式，收取一次性技術授權費用和版稅提成。但ARM 隻專注于設計CPU/GPU等IP的設計，代工或生産由被授權的客戶自行解決。ARM收入包括前期授權費（license）和版稅（Royalty），其中版稅是按照使用ARM的晶片的出貨量，按比例抽成。
ARM提供授權的方式有這麼幾種：
- 處理器授權：是最低的授權層級，指授權合作廠商使用ARM設計好的處理器，對方不能改變原有設計，但可以根據需要調整如産品的頻率、功耗等。
- POP(Processor Optimization Pack，處理器優化包)授權：處理器授權的進階形式， ARM出售優化後的處理器給授權合作廠商，友善其在特定工藝下設計、生産出性能有保證的處理器，如為三星、德州儀器、 博通、飛思卡爾、富士通等基于ARM處理器推出自己的晶片。
- 架構/指令集層級授權：可以對 ARM架構或 ARM指令集進行改造以實作自行設計處理器，如高通的Krait架構和蘋果的Swift架構等。
3. ARM處理器架構發展概述
ARMv6主要特性
- Thumb-2：是對32位ARM指令集的擴充，它的目标是為了實作更高的代碼密度；
- TrustZone：安全擴充，将實體資源隔離，分為Secure word和nNormal word，處理器通過SMC指令，可以在兩個世界之間切換。該擴充需要總線、MMU的支援，DDR、SRAM、外設等也需要不同的IP來做控制，以實作安全隔離；
- SIMD：這一代SIMD指令集依賴的向量寄存器，複用了ARM本身的通用寄存器。支援8/16bit整數，可以實作4個8bit整數或者2個16bit整數的并行計算；
ARMv7主要特性
- 進階SIMD：在ARM v7-A架構中，ARM進一步發展自身的SIMD指令集，并命名為NEON。這一代的指令集，有32個64bit的NEON向量寄存器，同時也支援單精度浮點；
- VFPv3/v4：浮點體系結構 (VFP) 為半精度、單精度和雙精度浮點運算中的浮點操作提供硬體支援，符合 IEEE-754 标準，VFPv4相當于VPPv3主要增加了half-precision extension和乘加的指令。ARM的vfp可以實作為32個或16個double-word register，分别以VFPv3-D32和VFPv3-D16來表示。當NEON和VFP同時實作時，VFP隻可以實作為VFP-D32；
- LPAE（Large Physical Address Extension）：大位址擴充，一般為40位位址擴充，可以将尋址範圍從2^32 4GB擴充到2^40 1TB，也有處理器後來擴充到44bit ；
- Virtualization：在 Normal world 裡面加入了一個新的CPU模式——HYP mode，需要MMU和GIC（中斷控制器）分别提供IPA（Intermediate Physical Address）和虛拟中斷的轉發的支援。
ARMv8主要特性
- Secure EL2：該特性Armv8.4-A引入，在Secure word增加了虛拟化支援；
- PA（Pointer Authentication）：v8.3引入，增強安全，函數指針檢查，CPU在執行函數跳轉時檢查函數指針是否正确(使用MAC算法),防止跳轉指針被修改；
- BTI（Branch Target Identifiers）：v8.5引入，對間接跳轉的目标進行限制。與PA結合使用極大程度減少控制流攻擊;
- MTE（Memory Tagging Extension）：v8.5引入，記憶體區域進行标記，對保護區域通路必須使用具有相同标記的指針。可檢測溢出、UAF類漏洞;
- Scalar Floating Point：aarch64提供32個128-bit寄存器用于SIMD vector and scalar floating-point支援；aarch32提供32個64-bit寄存器用于SIMD vector and scalar floating-point支援；
- Enhanced Crypto：v8一開始就增加了cryptography 指令，包括AES, SHA-1/SHA-256 等算法實作，又在v8.4增加了"SHA3/SHA512/SM3/SM4"的支援；
- bfloat：v8.2引入，增加FP16資料處理指令
- Vector Extensions：v8.2引入，Scalable Vector Extension（SVE）是arm AArch64架構下的下一代SIMD指令集，旨在加速高性能計算，允許vector從28到2048 bit長度可變 。
- Improved virtualization support：v8.4引入
ARMv9主要特性
Improved Security：主要是引入了全新的CCA（confidential compute architecture，機密計算架構 ）架構。機密計算可以打造基于硬體的安全運作環境來執行計算，保護部分敏感資料和代碼，甚至不受特權軟體的影響，即使是具有最高權限的OS也無法影響。雖然OS可以決定何時運作，但應用程式位于獨立的硬體保護記憶體區域，和系統中的一切是隔離的。這意味着就算應用感染了惡意軟體，也不會傳播給裝置裡的其他部分。
Digital Signal Processing & Machine Learning：在ARMv8.2中引入SVE，但它的問題在于，新的可變矢量長度SIMD指令集的第一次疊代的範圍相當有限，并且更多地針對HPC工作負載，缺少了許多仍由NEON涵蓋的更通用的指令。SVE2，旨在通過用所需指令補充新的可擴充SIMD指令集來解決此問題，以服務于類似DSP/ML等目前仍在使用NEON的工作負載。除了增加的各種現代SIMD功能外，SVE和SVE2的優勢還在于其可變的向量大小，範圍覆寫了128bits到2048bits，讓其無論在什麼硬體運作，都允許向量的可變粒度為128b。如果純粹從向量處理和程式設計的角度來看，這意味着軟體開發人員将隻需要編譯一次其代碼，并且如果将來某個CPU帶有本地的512b SIMD execution pipelines，該代碼将能夠充分利用單元的整個寬度。同樣，相同的代碼将能夠在具有較低硬體執行寬度能力的保守設計上運作，這對于Arm設計從物聯網、移動到資料中心的CPU而言至關重要。在保留Arm體系結構的32bits編碼空間的同時，它還可以完成所有這些工作。然而類似X86這樣的架構則需要根據矢量尺寸增加新的指令和擴充。
4. ARM處理器分類及應用領域
ARM處理器現在産品線主要有Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M、SecureCore、Neoverse等幾個系列。
Cortex-A系列處理器
Application Processors（應用處理器），主要面向移動計算，智能手機領域，2011年引入big.LITTLE，至2017年演化為DynamIQ。該系列曆經ARMv7、ARMv8和ARMv9（上圖并沒有列出全部ARMv8處理器和ARMv9處理器，後面會有介紹）。系列支援基于記憶體管理單元（MMU）的虛拟記憶體系統體系結構（VMSA）。ARMv8它支援A64、A32和T32指令集，ARMv9開始已不再支援32位指令集。
Cortex-R系列處理器
Real-time Processors（實時處理器），面向實時應用的高性能處理器系列，例如硬碟控制器，汽車傳動系統和Modem基帶等，該系列主要支援基于記憶體保護單元（MPU）的受保護記憶體系統體系結構（PMSA）。它支援A32和T32指令集。但最新的是Cortex-R82處理器，是64bit，帶MMU，支援RichOS，支援NEON。
Cortex-M系列處理器
Microcontroller Processors（微控制器處理器），微控制器處理器通常設計成面積很小和能效比很高。通常這些處理器的流水線很短，最高時鐘頻率相對較低，它支援T32指令集的變種。主要面向IOT物聯網領域。
SecureCore系列處理器
SecureCore，基于AR
M-M架構，增強了嵌入式安全，主要有SC000和SC300，分别基于Cortex-M0 (v6-M)和Cortex-M3
(v7-M)。
Neoverse系列處理器
Neoverse（伺服器端），面向雲端到邊緣的HPC、AI/ML加速等領域，是Cortex之外的另一條面向伺服器和基礎設施裝置的核心IP。如初代釋出即收獲不錯市場反響的Neoverse N1核心IP，亞馬遜Graviton2、Ampere Altra是基于IP設計的産品。
ARM處理器的發展曆史如下所示：
其他應用領域
ARM的汽車增強（AE）IP系列産品，于2018年推出Cortex-A76AE處理器，主要用于汽車ADAS（進階駕駛員輔助）系統，其支援Split-Lock分離-鎖定技術，使得CPU核心可以運作在不同的模式下，分離模式下性能最大化，鎖定模式下兩個核心/線程可以互相鎖定，最大程度確定安全。除了安全性能之外，Cortex-A65AE處理器還是ARM首個支援SMT多線程技術的，SMT為了提高資料吞吐率，因為ADAS除了安全和性能外，還需要處理大量傳感器帶來大計算負載及高吞吐量。據ARM宣稱，Cortex-A65AE處理器在能效更高的情況下吞吐率比前代（Cortex-A53）提升3.5倍。2020年，ARM又推出了新的Cortex-A78AE，新産品帶來了更高性能的CPU核心，還首次采用了AE級GPU Mali-G78AE 和ISP Mali-C71AE。新的Cortex-A78AE基于Cortex-A78微架構，與上一代Corex-A76AE相比，IPC提升了30％。
蘋果在2020年11月，釋出了基于ARM處理器的MAC便攜機，該SoC晶片為M1。另外，根據網上資料，高通基于ARM處理器的PC晶片應該會在這兩年推出。
5. ARM Cortex-A系列處理器
ARM Cortex-A系列處理器細分
ARM Cortex-A系列處理器目前主要有超低功耗核、小核、大核、超大核4個系列，我們主要關注ARMv7、ARMv8和ARMv9這三代架構的處理器。
- 超低功耗的處理器有：ARMv7架構的A5和A7，ARMv8架構的A35、A32和A34；
- 作為小核的處理器有：ARMv7架構的A8和A9，ARMv8架構的A53和A55，以及ARMv9架構的A510；
- 作為大核的處理器有：ARMv7架構的A15和A17，ARMv8架構的A57、A72、A73、A75、A76、A77和A78，以及ARMv9架構的A710和A715；
- 作為超大核的處理器有：ARMv8架構的X1，以及ARMv9架構的X2和X3；
2011年有了big.LITTLE技術出來以後，ARMv7架構的A7可以作為小核和A15/17作為大核搭配；2012年ARMv8架構的A53作為小核和A57/A72/A73搭配使用；當然有了A35後，A53/A55也可以作為大核與A35作為小核搭配使用；2017年big.LITTLE進化為DynamIQ，大小核的搭配更為靈活多變，A75到A78都可以作為大核與A55進行搭配，此時出現了1+3+4（1個超大核、3個大核和4個小核）的搭配，一般用大核超頻當做超大核用。
直到2020年ARM釋出Cortex-X1，才有了真正意義上的超大核，定義是“可定制”移動平台，晶片商可以根據預算和需求向ARM提出要求，然後ARM再根據不同的應用場景調整各個子產品的規格設計，當然也需要單獨的授權。Cortex-X2/X3應該都是公版了（這塊存疑）。最新的搭配可以有1個X3（超大核）+3個A715（大核）+4個A510（小核）這樣的組合。
ARM Cortex-A系列處理器演進關系
從整體演進關系我們可以看到A9分為：A5往下的系列CPU（超低功耗路線）、A15（大核和超大核）、A12/17（未演進？）、A7分支（小核）這麼幾個分支；其中大核從A77又分化成傳統大核和Cotex-X系列的超大核。
大核演進路線為：A8->A9->A15->A57->A72->A73 -> A75 ->A76> A77->A78->A710->A715
超大核是從A77這一支線分叉出來的，分别為 A77->X1->X2->X3
小核的演進路線為：A9->A7->A53->A55>A73 -> A510
超低功耗核的演進路線為：A9->A5->A35->A32/A34
ARM處理器設計團隊
- 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
參考文章
- https://en.wikichip.org/wiki/arm_holdings
- https://en.wikipedia.org/wiki/AArch64
- https://developer.arm.com/documentation/102378/0201/Armv8-x-and-Armv9-x-extensions-and-features
- https://www.arm.com/zh-TW/architecture/security-features/arm-confidential-compute-architecture
- https://broadgeek.com/2021/12/12/c8bf/
- https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_ARM_processors
- https://www.anandtech.com/show/13727/arm-announces-cortex65ae-for-automotive-first-smt-cpu-core
- https://www.anandtech.com/show/13398/arm-unveils-arm-safety-ready-initiative-cortexa76ae-processor
- https://www.anandtech.com/show/16114/arm-announces-cortexa78ae-malig78ae-and-malic71ae-autonomous-system-ips
- http://www.anandtech.com/show/10347/arm-cortex-a73-artemis-unveiled
- ARM行業研究架構，太平洋證券