ARM技术的发展现状和应用领域实训报告

ARM技术的发展现状和应用领域ARM公司介绍ARM是一家提供RISC架构的嵌入式微处理器公司，设计了大量高性能低的RISC处理器控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM公司的总部位于英国剑桥，成立于1990年11月，了多个办事处，是苹果、Acorn、VLSI、Technology等公司的、廉价、耗能、相关技术及软件。适用于多种领域，比如嵌入在全球设立合资企业。20世纪90年代，ARM公司的业绩平平，处理器的出货量徘徊不前。由于缺乏资金，ARM做出了一个意义深远的决定：自己不制造芯片，只将芯片的设计方案授权给其他公司，由它们来生产。正是这个模式，最终使得ARM芯片遍地开花，将封闭设计的Intel公司置于"人民战争"的汪洋大海。进入21世纪之后，由于手机的快速发展，出货量呈现爆炸式增长，ARM处理器占领了全球手机市场。2010年，全球ARM芯片出货量达61亿片，远远超出预期的45亿片。ARM公司发展现状ARM公司本身并不靠自有的设计来制造或出售CPU，而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。ARM提供了多样的授权条款，包括售价与散播性等项目。对于授权方来说，ARM提供了ARM内核的整合硬件叙述，包含完整的软件开发工具（编译器、debugger、SDK），以及针对内含ARMCPU硅芯片的销售权。对于无晶圆厂的授权方来说，其希望能将ARM内核整合到他们自行研发的一份生产就绪的智财核心技术（IPCore）认证。对这些客户来说，ARM会释出所选的ARM核心的闸极电路图，连同抽象模拟模型和测试程式，以协助设计整合和验证。需芯片设计中，，通常就仅针对取得求更多的客户，包括整合元件制造商（IDM）和晶圆厂家，就选择可合成的RTL（暂存器转移层级，如Verilog）形式来取得处理器的智财权（IP）。藉著可整合的RTL，客户就有能力能进行架构上的最佳化与加强。这个方式能让设计者完成额外的设计目标（如高震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等）而不会受限于无法更动的电路图。虽然ARM并不授予受权方再次出售ARM架构本身，但受权方可以任意地出售制品（如芯片元件、评估板、完整系统等）。商用晶圆厂是特殊例子，因为他们不仅授予能出售包含ARM内核的硅晶成品，对其它客户来讲，他们通常也保留重制ARM内核的权利。就像大多数IP出售方，ARM依照使用价值来决定IP的售价。在架构上而言，更低效能的ARM内核比更高效能的整合的内核要比一颗硬件宏（黑箱）内核要来得贵。更复杂的价位问题来讲，持有ARM商用晶圆厂（例如韩国三星和日本富士通）可以提供更低的授权价格给他们的内核拥有较低的授权费。以硅芯片实作而言，一颗可授权的晶圆厂客户。透过晶圆厂自有的设计技术，客户可以更低或是免费的ARM预付授权费来取得ARM内核。相较于不具备自有设计技术的专门半导体晶圆厂（如台积电和联电），富士通／三星对每片晶圆多收取了两至三倍的费用。对中少量的应用而言，具备设计部门的晶圆厂提供较低的整体价格（透过授权费用的补助）。对于量产而言，由于长期的成本缩减可借由更低的晶圆价格，减少ARM的NRE成本，使得专门的晶圆厂也成了一个更好的选择。许多半导体公司持有ARM授权：Atmel、Broadcom、CirrusLogic、Freescale（于2004从摩托罗拉公司IBM，英飞凌科技，工业，三星电子，Sharp，STMicroelectronics，德州仪器和VLSI等许多这些公司拥有各个不同形式的ARM授权。虽然ARM的授权项目由保密合约所涵盖，在智慧财产权工业，ARM是广为人知最昂贵的CPU内核之一。单一的客户产品包含一个基本的ARM内核可能就需索取一次高达美金20万的授权费用。而若是牵涉到大量架构上修改，则就可能超过千万美元。独立出来）、富士通、英特尔（借由和Digital的控诉调停）、任天堂，恩智浦半导体（于2006年从飞利浦独立出来）、OKI电气均费用现在，已经有200多家芯片公司购买了ARM的知识产权，有几万名设计工程师在使用ARM技术开发芯片，十几万家系统厂商采用ARM芯片来开发产品，面世的产百万种，最终全世界每年会有数十亿人使用带有ARM技术的产品，这就是ARM世界。品会达到上最新消息称，从全球范围内来看ARM架构的芯片占据了手机芯片市场90%的份额，而21年之前的ARMARM的股票价格在过去的15个月时间里已经连续翻了2倍。目前，成立于目前正在让全球的芯片市场格局发生变化，甚至使英特尔这样的芯片巨头目前也感受到来自ARM的巨大压力ARM公司近年推出的的第一代设计实现。该系列主要有ARM1136J，ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号，分别针对不同应用领域。ARM11系列处理器展示了在性能上的巨大提升，首先推出350M~500MHz时钟频率的内核，在未来将上升到1GHz时钟频率ARM11处理器在提供性能的同时，也允许在性能和功耗间做权衡以满足某些特殊应用。通过动态调整时钟频率和新一代RISC处理器ARM11，它是ARM新指令架构——ARMv6高供应电压，开发者完全可以控制这两者的平衡。在0.13um工艺，1.2v条件下，ARM11处理器的功耗可以低至0.4mW/MHz。ARM11处理器同时提供了可综合版本和半定制硬核两种实现。可综合版本可以让客户根据自己的半导体工艺开发出各有特色的处理器内核，并保持足够灵活性。ARM目前展示了一个智能手机的运行速度。此设计采用了芯片使用的也是ARM11技术。ARM公司表示，多核能正常工作的多核心处理器，Cortex-A9。这种处理器可大大加快2至4个内核，继承ARM11技术。iPhone和iPodTouch心处理器潜在的速度远远超使用的三星越单核处理器，使用的电力比两个单核芯片要小。此设计采用了2至4个内核，继承ARM11技术。iPhone和iPodTouch使用的三星芯片使用的也是ARM11技术。ARM公司表示，多核心处理器潜在的速度远远超越单核处理器，使用的电力比两个务，多核心ARM处理器也有两倍的浮点运算能力。此外，每个核心的都有一个NEON媒体加速器，通常用于执行媒体编码和解码任务。单核芯片要小。除了并行任ARM技术的应用领域ARM技术应用领域可以分为四类：移动互联网接入设备、家用应用、商务设备和嵌入式设备。据ARM2010年第3季度统计，全球共有15亿带有ARM技术的产品出货，公司整体营收较09年同期增长了近30%。这些ARM芯片，62%用于移动互联网接入设备，19%用于嵌入式设备，14%用于商务设备，5%用于家用应用。在移动互联网接入设备中，从Smartphone和3G技术的发展到智能手机等移动终端设备，目前主在ARM和Android这对“双A”组合上表现的尤为突出。从featurephone时代，ARM核心就主宰了基带芯片市场，优势持续延伸到智能手机，ARM继续攻下9成左右的市占率，接着很可能还会随着手机厂与PC厂纷纷抢搭平板电脑(TabletPC)风潮，而进一步大口吃下这个新兴市场的市占率。。目前占出货量19%的嵌入式领域广泛，从低端到高端、从简单到实时的各种应用，简单的8位MCU依然存在巨大市场，而汽车、家庭、智能卡等对智能控制、联网要求的提高，软件可靠性的提升，使32位MCU呈，正是ARM这几年的重点市场所在。嵌入式市场应用现出高速成长状态。ARM将会成为MCU领域中主流的架构，将继续设计并提供先进的CPU核、系统IP、物理IP、开发工具和软件解决方案。ARM还一直在与微软合作研发处理器架构，从事新应用的架构研发，这些新应用包括微控制器，传感器，固态硬盘，中型移动计算设备和大型服务器等。2020年，ARM架构集成电路的全球累积出货量有望超过一千亿。在产品开发过程中，ARM为统一兼容的软件平台提供了便利。据ARM预测，嵌入式应用将是其未来发展最快的领域。在企业的商务设备领域中，ARM将企业应用程序定义为提供网络连接和/或存储功能的完整系统或子系统。这包括家庭和公司网关、企业路由器、以太网交换机、无线访问点、基站、多服务配置平台、硬盘驱动器、网络连接存储和固态磁盘。在过去5年中，上述许多应用领域的系统设计人员已开始考虑这些系统完成其任务时的能效，而不是考虑绝对性能。随着更高性能的多核处理器核心和经过优化的性能改进物理逻辑IP（包括ARM物理IP部门提供的标准单元库）的问世，可通过ARM技术满足需求的上述应用领域得到了拓展。此外，在研发预算匮乏的环境下，具有受到强力支持的软件和工具生态系统的行业标准ISA使产品经理能够缩短产品的上市时间，并节省研发成本以用于开发增值功能和不同的应用程序特定功能。在家庭应用中，数字技术的普及需要性能、功耗甚至安全性的改善。并且3C合一的市场趋势，使传统的电视制造厂商转向多产品领域拓展，ARM统一的产品开发平台及兼容的技术团队，给传统厂商的转型带来了便利。ARM目前生产的芯片产品已经成为全球智能手机和平板电脑产品的标准配置，而其它包括数码相机、多媒体播放器在内的各种消费电子产品都采用了ARM架构的芯片。ARM不仅仅只关注IP出售，还考虑到了芯片制造过程中所需要的设计服务，芯片应用时所需要的软件工具和设计方案支持，建立一个完善的半导体产业成长环境。统一工具软件使ARM成为一个架构在标准平台上的可差异化产品，从8051过渡到使用ARM技术的32位MCU，面临着软件代码转移的复杂问题，但ARM通过收购8051开发工具供应商keil公司，提供自动的标准化编译器，使这一过程轻易就可解决。此外，ARM还通过与中国软件公司英蓓特的合作，使开发工具本地化，以极低的价格适应中国企业的成本要求。并且，为了应对中国中小型芯片设计公司的成本压力，ARM将其流水线标准的授权模式改善为四种更具灵活性的模式，提供一个字金塔型的费用等级给各个芯片厂商选择。其中，字金塔的顶端为少数芯片厂商的高级定制IP服务；第二层为授权费几百万美元的标准IP授

权服务；第三层为晶圆代工厂授权服务，IC设计公司只需在使用IP时支付费用；最底层为免费授权服务，当芯片投入量产时再支付版权费用，直接取消了价位门槛，对于小型计公司来说，将不会出现设计风险。这种取消授权费用的模式，费用回收时间长，但对小型IC设计公司的发展却有非常积极的促进作用。对此谭军认为，产品从芯片开发到面世的周IC设期平均为4年，所以放弃眼前的利益是这种模式的关键，目前免授权费用模式只有ARM公司提供。然而就目前中国企业的IP保护，谭军认为，自2001年进入中国，ARM在与中国公司的政府，IP保护环境正在发展得越来越好。事实上，中国企业更注重自己的IP保护，但产业链之间的信任度却不够理想。在芯片公司和系统厂商之间，信任的缺乏加重了开发芯片与产品的复杂过程，最终延缓产品的面世周期。谭军认定，只有联盟才能改善这种僵局