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ARM處理器
ARM處理器照片來自

ARM為嵌入式處理器IP供應商,公司前身為Acorn Computer,曾開發RISC處理器,1990年ARM正式成立,開始採用授權的商業模式。採用ARM技術IP內核的處理器,即稱為ARM(Advanced RISC Machines,進階精簡指令集機器)處理器,其產品應用於多嵌入式系統設計,已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網路系統、無線系統等各類產品市場。[1]ARM處理器非常適用於行動通訊領域,因其主要設計目標為低成本、高效能、低耗電的特性。且ARM佔所有32位元嵌入式處理器75%比重。

1979年美國加州大學伯克利分校提出了RISC(Reduced Instruction Set Computer,精簡指令集電腦)的概念,重點放在如何使電腦的結構更加簡單合理地提高運算速度上,RISC結構會優先選取使用頻最高的簡單指令,避免複雜指令,及將指令長度固定。指令格式和尋地方式種類減少,並以控制邏輯為主,不用或少用微程式碼控制等措施來達到目的。RISC的特色是使用管線 (Pipeline) 的方式增進速度,但是在不屬於指令載入期間,進行記憶體存取會破壞管線的可重疊性,因此RISC處理器通常會禁止運算指令直接存取記憶體,只允許載入儲存指令存取記憶體。

採用RISC架構的ARM微處理器具有如下特點:

  • 體積小、低功耗、低成本、高性能
  • 支援Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集,兼容8位/16位元
  • 大量使用暫存器,資料處理指令只對暫存器進行操作,只有載入/存儲指令可以存取記憶體,以提高指令的執行效率
  • 大部分數據操作都在暫存器中完成
  • 尋址方式靈活簡單,執行效率高
  • 採用固定長度的指令格式,指令歸整、簡單、基本定址方式有2~3種

StrongARM微處理器系列,主要應用於一些對安全性要求較高的應用產品及應用系統,如電子商務、電子政務、電子銀行業務、網路和認證系統等領域。

而Intel StrongARM SA-1100處理器是採用ARM架構高度整合的32位元RISC微處理器,融合Intel設計和處理技術以及ARM架構的電源效率,採用在軟體上相容ARMv4架構、同時採用具有Intel技術優點的架構,Intel StrongARM處理器為攜帶型通訊產品和消費類電子產品之解決方案。

Xscale處理器是基於ARMv5TE架構的解決方案,是一款全性能、高成本效益比、低功耗的處理器,支援16位元的Thumb指令和DSP指令集,已使用在數位行動電話、PDA和網路產品。Xscale 處理器是Intel主要推廣的一款ARM微處理器。

基於CISC的x86架構處理器,為了電腦產業發展而不斷加入指令集,使得處理器日益龐大,但每個指令集用到的頻率也越差越大,許多指令到後來相當少用,甚至可以被新的指令所取代。而ARM架構則大幅簡化架構,僅保留所需要的指令,可以讓整個處理器更為簡化,擁有小體積、高效能的特性。

ARM的架構可以作到高密度整合,ARM授權的彈性以及核心架構單純,ARM處理器架構很容易與其他專職的特殊核心,像是GPU、多媒體解碼核心、基頻數據機、I/O控制等架構整合,透過SoC(System On a Chip,系統單晶片)的方式,整合成一顆小小的ARM架構應用處理器,完成近年x86架構處理器積極跨足的單晶片設計,各種不同的核心分工各司其職,ARM架構應用處理器的核心負擔相較傳統x86處理器更低,因其早前應用處理器的需求就是以低功耗為重點,如今效能提昇後,仍保有省電的特性。

ARM架構處理器在智慧型手機與平板電腦等行動裝置市佔率達9成以上,包括TI OMAP、Qualcomm Snapdragon、三星的蜂鳥(Hummingbird)、獵戶座(Orion)、Freescale的i.MX、NVIDIA Tegra等應用處理器等。

2012年,微軟推出的Windows 8有支援ARM架構處理器,因此2012年搭載ARM架構處理器的筆電出貨量將達760萬台,佔全球筆電市場佔有率約3%,至2015年,出貨量將增至7,400萬台,大幅成長9倍,在筆電市場的佔有率也大增到23%,並為NVIDIA、Qualcomm、德儀等供應商帶來商機,為NVIDIA及高通晶片代工的台積電、為德儀代工的聯電等,與3大廠處理器FCCSP基板的景碩皆受惠。[2]

2011年10月,ARM 推出了全新的 64 位元架構處理器 ARMv8 ,因此RISC 處理器也邁向64 位元,而 x86 架構的 CISC處理器早已推出64位元的處理器。

ARMv8 處理器最大的特色就是支援定址至64位元,與x86架構一樣,更大的位元定址代表支援更大的運算容量與效能。 ARMv8 架構下包含兩種執行序 (Process) , AArch64 以及 AArch32 ,其中 AArch32 向下支援32位元的指令集,代表 ARMv8 也兼容其他 32 位元的環境,而 AArch64 則是支援全新的64位元指令集,讓ARMv8可以相容於64位元的環境。

2014 年到2016 年以後,ARM 將其主力放在 ARMv7 架構下的 Cortex A 系列處理器,未來將會轉向Cortex A9 ,而架構也會開始導入 ARM11 的架構。


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ARM處理器發展現況

參考資料

  1. ARM處理器09.11.2016 MoneyDj理財網
  2. 軟銀重金收購ARM 著眼物聯網市場07.28.2016 財經知識庫