ARM工艺及能耗发展概况

ARM工艺及能耗发展概况

ARM系列是英国先进RISC机器公司（Advanced RISC Machines，ARM）公司的产品。第一个基于RISC指令集的ARM芯片是在1985年开始设计的，采用的是典型的32位RISC体系结构，其指令的拥有4位的寄存器地址域，可以访问R0-R15这16个寄存器。而其他的寄存器只有在特殊的情况下才可以访问到。

ARM使用了标准的、固定长度的32位指令格式，所有的ARM指令使用了4位的条件码来决定该指令是否应当执行，这种方式可以解决一些条件分支的问题，从而对代码的密度和性能都有好处，编译也因此也可以显示的控制指令的执行。

由于体系结构设计以及器件技术上的特点，可以使得ARM处理器可以与一些复杂得多的微处理器相抗衡，特别是在需要很少能耗的嵌入式处理场合。

1990年，ARM公司成立了。在ARM7中，将ARM体系结构完全扩展到32位（原来的ARM处理器只有26位的地址空间），并将主频提升到40MHz，另外还集成了一个8KB的Cache。比较有趣的是，ARM7可以支持一种称为"Thumb"的模式，可以运行新的16位指令。这主要是通过在ARM7芯片的指令预取阶段增加一个硬件，完成Thumb指令到正常的32位RISC指令来达到目的的。通过引入Thumb模式，可以使得只需要付出很少的硬件代价，就可以将代码的密度提升大约25%-35%，并使得应用的运行更为迅速。

1995年，ARM、Apple、DEC公司联合声明将开发一种用于PDA的高性能、低功耗的微处理器，主要是基于ARM体系结构的。DEC将自己在MPU设计上的优势带入ARM芯片设计中。一年后，StrongARM SA-110问世了，并成为嵌入式微处理器设计的一个里程碑。

 StrongARM SA-110可以工作在200MHz，而能耗不到1瓦。在体系结构上，
StrongARM将原来ARM中的三级流水线扩展到五级，在器件工艺上，大量采用了最新的体系结构和器件技术，大大降低了芯片工作时的能耗。

StrongARM的出现并不是ARM发展历程上的唯一分支。1996年，ARM8发布了，采用同样的三级流水线，并在72MHz条件下，达到了84MIPS的指标。而在1997年，ARM9内核采用了与StrongARM相同的五级流水线。ARM9TDMI在0.35um工艺条件下，可以在200MHz达到220MIPS的性能。ARM9的另外一个版本ARM9E对SIMD做了增强，包括8位和16位SIMD加法和减法，16位和32位乘法，以及相应的算术操作等。

1997年，Intel接管了StrongARM，并开发了几个后续产品。1998年，Intel开始用0
.18um工艺生产StrongARM处理器。在1999年度嵌入式微处理器论坛上，Intel宣布将在其第二代StrongARM中采用7级流水线，并在0.18um工艺条件下，达到600MHz的速度，而能耗将仅仅为不到0.5瓦，同时，将新的微处理器命名为StrongARM Xscale。

 StrongARM的出现并不是ARM发展历程上的唯一分支。1996年，ARM8发布了，采用同样的三级流水线，并在72MHz条件下，达到了84MIPS的指标。而在1997年，ARM9内核采用了与StrongARM相同的五级流水线。ARM9TDMI在0.35um工艺条件下，可以在200MHz达到220MIPS的性能。

ARM9的另外一个版本ARM9E对SIMD做了增强，包括8位和16位SIMD加法和减法，16位和32位乘法，以及相应的算术操作等。

ARM9EJ是ARM9E在Java支持上的增强版本。它采用了类似Thumb的机制，通过很少的硬件代价，可以使大多数Java虚拟机字节码可以加速执行，更为复杂的Java虚拟机字节码可以通过软件的方式执行。这样，可以使得Java虚拟机字节码的执行速度提升了大约8倍左右。这对于嵌入式场合的Java应用无疑是极其有效的。

ARM的成功在于它极高的性能以及极低的能耗，使得它能够与高端的MIPS和PowerPC嵌入式微处理器相抗衡。另外，即使根据市场需要进行功能的扩展，也是ARM取得成功的一个重要因素。随着更多厂商的支持和加入，可以预见，在将来一段时间之内，ARM仍将主宰32位嵌入式微处理器市场。

ARM取得了极大的成功，世界上几乎所有主要的半导体厂商都从ARM公司购买ARM ISA许可。

目前ARM系列芯片已经被广泛的应用于移动电话、手持式计算机以及各种各样的嵌入式应用领域，成为世界上销量最大的32位微处理器。

ARM也在向64位微处理器的方向发展。