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4.ARM 的经营之道
既然不设计芯片，而且没有硬件，那么 ARM 的收益从何而来？
ARM 专利技术收入主要来自两个方面：
一个是专利授权费用，客户如果采用 ARM 专利时一次性付给 ARM 的费用；
另一部分是按照一定比例收取客户产品的专利使用费，即客户每卖出一片芯片，就收取同等比例的费用。
这两项收入占公司总收入的 70%。
通过前面的描述，没有理由不相信这个数据的可靠性。
以我国为例，目前在中国已经有中兴通讯，中芯国际和上海华虹购买了 ARM 的内核授权，生产自己的芯片。ARM 中国方面的业务的其它重点还在于对芯片设计公司(fables)的支持，开展大学计划等。同时 ARM 中国还计划授权各合作伙伴，开办 ARM 技术培训班，并为合作伙伴的老师提供培训，另一方面，也将和国内大学开展大学合作计划，加大 ARM 技术推广和普及的力度，帮助中国的电子工程师迅速和国际接轨，并掌握最新的电子设计技术。
一般来说，ARM 的合作伙伴分为三种：
(1) EDA 伙伴计划，融合了 ARM 在线系统设计、可重复使用 IP 生成和 IP 模型等方面的专长与领先 EDA 工具厂商的专业特长，开发 SoC 产品。
(2) ARM 技术共享计划，为 ARM 与外部设计服务公司合作关系的扩展和规范化结果，现在已经有 2900 多工程师成员。
(3) 制造商计划，使新兴市场的 OEM 能分享 ARM 处理器技术，用于设计和制造先进的 SoC 解决方案。
总之，ARM 是英国全球著名的 32 位嵌入式 RISC 芯片内核的设计公司，也是 ARM 的产品商标，其产品 ARM 嵌入式内核已被全球各大芯片厂商采用，基于 ARM 的开发技术席卷了全球嵌入式市场，已成为嵌入式系统主流技术之一。
5.ARM 的产品体系
(1)经典 ARM 处理器
这一系列包括的处理器架构有：
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名称 |
体系结构 |
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ARM11 系列 |
基于 ARMv6 体系结构的高性能处理器 |
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ARM9 系列 |
基于 ARMv5 体系结构的常用处理器 |
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ARM7 系列 |
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该系列的特点只有两个字：稳定。适用于那些希望在新应用中追求稳定的产品。
这些处理器提供了许多的特性、卓越的功效和范围广泛的操作能力，适用于成本敏感型解决方案。这些处理器每年都有数十亿的发货量，因此可确保设计者获得最广泛的体系和资源，从而最大限度地减少集成过程中出现的问题并缩短上市时间。
(2)ARM Cortex 嵌入式处理器
这一系列的处理器架构有：
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名称 |
特点 |
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Cortex-R 系列 |
面向实时应用的卓越性能 |
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Cortex-M 系列 |
主要是针对微控制器领域开发的，在该领域中，既需进行快速且具有高确定性的中断管理，又需将门数和可能功耗控制在最低；而 Cortex-R 系列处理器的开发则面向深层嵌入式实时应用，对低功耗、良好的中断行为、卓越性能以及与现有平台的高兼容性这些需求进行了平衡考虑。
(3)ARM Cortex 应用程序处理器
这一系列包括的处理器架构只有 Cortex-A 系列，开放式操作系统的高性能处理器。
Cortex-A 在高级工艺节点中可实现高达 2GHZ+的主频，也正是由于如此卓越的性能，该处理器架构可用于下一代 Internet 设备，而且该系列提供单核和多核多种种类，并且提供 NEON 多媒体处理模块的四种选择和高级浮点执行单元和处理单元。
(4)ARM 专家处理器
这一系列包括的处理器架构有两个：
SecurCore——面向高安全性应用的处理器。
FPGA 内核——面向 FPGA 的处理器。
该系列的处理器主要是为了满足一些特定市场的苛刻需求。SecurCore 可以用于手机 SIM 卡和其他识别应用，集成了多种既可以为用户提供卓越性能，又可以检测和避免安全攻击的技术。
6.ARM 指令集
谈到 ARM 的指令系统，必须先明确一点的就是，ARM 体系结构不同于 x86，它是 RISC 体系结构。所以，在 ARM 指令体系中，各指令相对来说更加规整、对称、简单的，而且指令小于 100 条，基本寻址方式只有 2~3 种，而且指令字长都比较一直，并都在单个时钟周期内完成，以便于流水操作。
(1) ARM 处理器支持的指令集
ARM 处理器可以支持 3 种指令集——ARM，Thumb 和 Jazelle。采用那种指令集，由 cspr 中的标志位来决定。大体说来：
- ARM：这是 ARM 自身的 32 位指令集；
- Thumb ：这是一个全 16 位的指令集，在 16 位外部数据总线宽度下，这个指令集的效率要比 32 位的 ARM 指令高一些。
- Jazelle：这是一个 8 位指令集，用来加速 Java 字节码的执行。
ARM 指令集可以是 32 位长的 ARM 指令，也可以是 16 位长的 Thumb 指令，这主要是为了兼容数据总线为 16 位的应用系统。所有的 Thumb 指令都有对应的 ARM 指令，Thumb 只是 ARM 的一个真子集，而且 Thumb 指令舍弃了 ARM 指令集的一些特性，如大多数 Thumb 指令都是无条件执行的，而几乎所有的 ARM 指令都是有条件执行的，又如大多数的 Thumb 指令由于长度有限，目的寄存器是源寄存器中的一个，这跟 x86 的汇编指令集相似。
Thumb 指令的优点在于它可以在保留 32 位代码优势的同时，大大节省系统的存储空间，因为在 Thumb 指令集中的操作数仍然是 32 位的，指令地址也是 32 位的，只是指令编码变成了 16 位，而 ARM 指令则为 32 位，所以，相比之下，实现同样的功能，Thumb 指令的条数要比 ARM 略多。
下面以一个实例，对 Thumb 状态和 ARM 状态进行比较。
指令： Add Rd，#Constant
Thumb 指令和 ARM 指令的比较
下面来看一下关于 Jazelle 指令。
Jazelle DBX（Direct Bytecode eXecution）是一种硬件架构扩展技术，为 ARM 处理器引入了第三套指令集—Java 字节码。新指令集建立了一种新的状态，处理器在此状态下处理 Java 字节码取指令、译码和维护 Java 操作数栈等任务。允许它们在某些架构的硬件上加速执行 Java 字节码，就如其他执行模式般，它能在现存的 ARM 与 Thumb 模式之间互相切换。为了降低芯片尺寸并提高性能，Jazelle DBX 没有设计成传统形式的微引擎，而是融入流水线中的一个有限状态机。如下图所示。
加入了 Java 硬件加速的 ARM 流水线示意图
Jazelle DBX 技术增加了一条新的“Branch-to-Java”指令来进入 Java 状态。在 ARM 处理器的 Java 状态下，有若干个 ARM 寄存器可以功能复用 。正是这些硬件复用设计，才使得只用了很少的额外逻辑（约一万两千门）就实现了一个 Java 机。
(2) ARM 指令与 x86 指令的比较
整个 ARM 指令集由数据处理指令、分支指令、Load-Store 指令、程序中断指令和一些系统控制指令构成，除了 Load-Store 指令外，其他部分和 x86 指令集是比较类似的。
但和 x86 相比，ARM 指令最显著的特点它们都是 32-bit 定长的。
另外，由于 ARM 是基于 RISC 指令集的，所以 CPU 只处理在寄存器中的数据并通过独立的 load-store 指令在内存和寄存器之间进行数据的传递。
在使用方面，ARM 指令的格式也要比 Intel 的复杂些。一般说来，一条 ARM 指令有如下的形式：
{S} [Rd]， [Rn]， [Rm]，其中：
{S}：加上这个后缀的指令会更新 cpsr 寄存器；
[Rd]：目的寄存器；
[Rn]/[Rm]：源寄存器。
一般来说，ARM 指令有 3 个操作数，其中 Rm 寄存器在执行指令前可以进入桶形移位器进行移位操作，而 Rn 则会直接进入 ALU 单元。如果一条 ARM 指令只有 2 个操作数，那么源寄存器按照 Rm 来处理。例如，一条加法指令：
add r0,r1, #1
就会把 r1+1 的结果存放到 r0 中。
在熟悉了基本的汇编格式后，读者就可以自行去查询基本的 ARM 汇编指令了，下面简单介绍一下 ARM 中比较有特色部分——Load-Store 指令结构，由于 ARM CPU 并不直接处理内存中的数据，这个指令体系就担起了在寄存器和内存之间交换数据的重要媒介。
ARM 的访存采用的都是 LOAD-STORE 结构，虽然它要比 x86 的内存访问机制复杂一些，但是有个最大的好处，就是可以把每条指令的执行时间都平均化，有助于高效的流水线的实现，采用这种结构也就同时意味着指令都要在寄存器间进行操作，所以 ARM 体系中有大量的寄存器（不少于 32 个）。
由于篇幅的原因，关于 LOAD-STORE 体系结构，在这里不再赘述，有兴趣的读者可以查阅相关的资料。
7.ARM 的未来
众所周知，ARM 几乎垄断了手机和嵌入式芯片市场，不过进入 2010 年以来，关于手机芯片巨头 ARM 公司要进军服务器领域的消息多了起来，其中有捕风捉影、绘声绘色的传闻，也有正儿八经的新闻发布。
传闻也好，新闻也罢，消息一出，引发的却是行业的大讨论：
一个在手机领域占了 90%以上份额的芯片，为什么突然对服务器感兴趣?
是不务正业，还是用意高远?
ARM 公司及其用户拿什么去从 Intel 们、IBM 们的嘴里夺食?是不自量力，还是另有高招?
ARM 芯片在手机和嵌入式市场取得成功，是否意味着在用户需求和生态系统都更加复杂的服务器领域也能获得一席之地呢?
对于这些真假难辨的消息，读者该如何看？
没有金刚钻，别揽瓷器活。有人替 ARM 担心，有人替 ARM 叫好。
分析一下，不难发现 ARM 芯片主要凭借的是两大优势：低价、低功耗，不足之处也有很多：芯片架构需要重新设计去实现更多企业特性需求如缓存一致性、容错与高可用等，软件生态环境需要重新梳理和打造，不支持 64 位应用等。
接下来把市场上关于 ARM 服务器的消息传闻串起来一看，其意图不难理解，一切都是云计算和移动互联网惹的祸!
如果简单地把服务器看作云计算的代表设备，手机视作移动互联网的代表设备，这两者的架构融合与互连互通也是必然所在。这也就不难理解，占据了 90%以上服务器市场份额的 Intel 一定要往移动嵌入式领域拓展，同样，占据了 90%以上手机市场份额的 ARM 也一定会往后台数据中心侵袭。只是，谁的架构会一统天下，还是融合共处，现在谁也说不清，因为角力还没真正开始。不过有一点可以确认，那就是：
Intel 与 ARM 之间的“战争”不可避免的。
Intel 从 2008 年才推出的一款面向上网本、入门级 PC（Entry Level PC）、Tablet PC、智能手机以及其他一些手持设备的处理器——Atom 处理器。由此可见，Intel 的 Atom 架构瞄准的市场是已经被 ARM 称霸已久的移动计算领域，两方的战争可见一斑。
Atom 是英特尔历史上体积最小和功耗最小的处理器，其架构至今为止经历了四次重大的革新，开创性在维持现有系统的高性能的同时地降低了功耗，使得制造轻薄的手持设备、Tablet PC、智能手机等成为可能。
从 Intel 投入的精力和一系列的动作上，不难看出 Intel 向弥补自己在移动计算领域缺席的决心。但是从时间上来看，Intel 同 ARM 相比起步晚太多了，除此之外，出于兼容性的考虑，Atom 在设计之初被无辜地套上了 CISC 的枷锁，从而使得 Atom 处理器有一种背负历史使命的厚重感，少了一些现代的轻盈与高效。所以至今为止，除了上网本有采用 Atom 架构的处理器外其它移动计算设备很少有采用 Atom 处理器的。
这就是 Intel 的 Atom 在移动计算市场上的劣势。
展望未来，即使 Intel 成功地实施了 Atom 战略，将 x86 芯片的功耗和价格大大降低，它与 ARM 竞争也将非常吃力。因为 ARM 的商业模式是开放的，任何厂商都可以购买授权，所以未来并不是 Intel vs. ARM，而是 Intel vs. 世界上所有其他半导体公司。
未来孰胜孰负？貌似已成定局，但世事难料，一切皆有可能，我们静观其变。
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系列汇总：
之五：处理器的三国时代：DR 公司盛气凌人，IBM 转身成就微软
之六：32 位处理器的攻“芯”计：英特尔如何称霸 PC 江湖？
