一、发展生态问题我们日常使用的电脑比如台式机和笔记本里面的 CPU 大多采用 x86 架构架构就是一种 CPU 核心类型、体系可以理解为是一种设计方案—— 这是桌面和服务器领域最主流的处理器架构。而到了嵌入式世界由于对功耗、成本、体积的要求完全不同CPU 核心架构就换了一批 “选手”常见的有 51、ARM、PPC、MIPS、Xtensa、RISC-V 等其中ARM 架构的应用范围最广从几十美分的单片机到手机处理器从智能手环到汽车电子几乎无处不在 —— 可以说学嵌入式ARM 是绕不开的核心架构。无论你现在如何理解芯片但是芯片这种我们看不到的产品必须是依附于用户能接触到的终端产品才能大量发展起来的比如 intel 芯片和个人 PC 电脑arm 芯片和手机而终端产品背后就是大量的需求。二、需求拉动产量intel 芯片和电脑1950 年代末芯片还只是军方的 “秘密武器”。仙童半导体的第一个重要客户是 IBM为其 B70 轰炸机提供晶体管 —— 这是当时最顶尖的终端产品一颗卖 150 美元但数量稀少。仙童不满足于此。它用军方订单攒下的技术主动降价开拓民用市场。1960 年代中期芯片价格从 20 美元一路降到 2 美元成功 “粘上” 了第一代真正的大众终端 —— 计算器和助听器。芯片第一次走进了普通人的生活。1968 年仙童两位创始人诺伊斯和摩尔摩尔定律提出者出走创办了英特尔。1981 年IBM 选择英特尔的 8088 处理器作为 IBM PC 的大脑 —— 芯片终于找到了那个 “亿级出货量” 的终极宿主。与此同时微软的 MS-DOS 被选为 IBM PC 的操作系统。随着 IBM PC 兼容机的普及英特尔芯片和微软操作系统形成了一个牢不可破的联盟史称 “Wintel”。1980 年代台式机统治办公室。英特尔 80286/386 让 PC 从 “算盘” 变成 “工具”芯片的 “性能游戏” 正式开场。1990 年代笔记本电脑爆发。芯片不能只看速度还得省电。英特尔发布 Pentium 系列同时推出 SpeedStep 降频技术 ——第一次低功耗成为卖点。2000 年代PC 进入亿级存量市场。2010 年代至今PC 形态分化 —— 轻薄本超低功耗、游戏本高性能、工作站多核arm 芯片和手机1990 年代ARM 成立之初依附的是苹果牛顿 PDA 和诺基亚功能手机。这些终端出货量远不及 PC但有一个 PC 无法比拟的优势 —— 可以装进口袋。ARM 芯片的核心卖点不是性能而是功耗低到用几颗干电池能跑一天。2000 年代功能手机全球出货量冲破 10 亿级。ARM 抓住 “每部手机要一颗基带 一颗应用处理器” 的机会授权模式让高通、联发科、德州仪器都成了它的客户。到 2005 年全球 98% 的手机里都有 ARM 芯片。2007 年iPhone 发布智能手机时代开启。这是 ARM 的 “1981 时刻”—— 它找到了比 PC 更强大的终端宿主触摸屏 App Store 永远在线。智能手机年均出货量从 1 亿飙到 14 亿ARM 芯片的出货量也首次超越了英特尔。2010 年代至今智能手机饱和但 ARM 的终端版图不断外扩 —— 智能手表、TWS 耳机、智能音箱、智能电视、汽车座舱。ARM 不再只是 “手机芯片”而是 “所有需要低功耗计算的设备的通用底座”✅核心结论时代发展产生新的需求新的需求诞生新的设备新的设备让芯片需求激增arm 发展史1983 年Acornarm的前身 被英特尔拒绝授权 x86被迫自研低功耗 RISC 芯片埋下了后来 ARM 的基因。1990 年因资金极度匮乏ARM 公司成立时被迫选择了一条前所未有的路 —— 不造芯片只卖 IP 授权。1997 年诺基亚功能机采用 ARM 芯片拿下了第一个亿级终端市场。2004 年Cortex-M 系列发布ARM 开始统治嵌入式 MCU 领域成为智能家电、工业控制的标准底座。2007 年iPhone 搭载 ARM 处理器引爆智能手机时代ARM 找到了比 PC 更庞大的终极宿主。从被拒到独立从功能机到智能手机ARM 用低功耗 IP 授权模式完成了对英特尔的反向超越。在 Intel 辉煌的年代Intel 的模式都是自己设计芯片自己制造芯片这种模式叫做 IDMIntegrated Device Manufacturer集成设备制造商。 但是 ARM 整体成立晚并且初期没有充足资本后发者新模式ARM 的新模式就是只设计 CPU 核心 IP不制造 CPU。然后通过 IP 授权和收取版权费用盈利。ARM 的商业模式的核心逻辑是把自己变成所有人的朋友最后成为所有人离不开的基础设施从而拉着一堆人和 intel 展开竞争。背后的商战故事抛开所谓的技术因素 PC 时代当年 intel 和 windows 能走到一起就是为了对抗苹果。 后来苹果逐步也要展开反击当然也要扶持对应的芯片厂商来对标 Intel。如果你查阅 ARM 成立早期的股东构成你就会看到苹果的身影甚至起决定因素。ARM 的轻量级商业模式给客户足够的研发空间同时客户就是自己的老板它当然能团结一堆人。再后来就是 98 年苹果经营危机卖掉了 ARM 的股份从而成为了 ARM 的纯客户 (别忘了还有诺基亚所以 ARM 过得并不惨)。再后来 09 年移动互联网到来IOS 卖的飞起google 为了对抗苹果开源安卓全球移动手机形成阵营但是背后最大的受益者就是 ARM。ARM 再次起飞然后就是日本软银孙正义赌定移动互联网与 IOT16 年高价收购 ARM 股份。现如今ARM 背后的最大股东是日本软银。✅ 结论ARM 只设计 CPU 核心 IP不制造 CPU 。然后通过 IP 授权和收取版权费用盈利造成这种经营方式是当时的商业竞争下的产物这里仅仅是为了说明这种商业模式不是 ARM 一家在嵌入式领域算常态。细节什么叫做 IP 核“IP” 是 Intellectual Property知识产权的缩写是一个法律概念站在 ARM 的角度ARM 卖的并非实体芯片而是受法律保护的芯片 “设计方法” 的使用权即其知识产权的使用权。芯片行业之所以用 “IP” 这个叫法是为了突出 “设计” 与 “实物产品” 的本质区别买芯片得到的是物理实体买 IP 核得到的是受法律保护的技术设计方案。它不是有形商品而是一份 “设计方案” 的使用权所以直观地称为 “知识产权核”简称 “IP 核”三、SoCARM 在手机领域协作流程Arm 把 IP 核心授权给芯片公司 (比如苹果、三星、高通、联发科)芯片公司形成自己的 SoC 方案交给三星或者台积电代工测试通过之后生成完毕得到 SoC 芯片。终端产品公司 (比如苹果、小米、VIVO、OPPO) 整合芯片公司的 SoC 芯片和供应链上其他厂商提供的其他组件或者自研组件 (比如摄像头显示屏喇叭 / 麦克风等)组装生产成为终端产品比如手机SoC 介绍SoC 是 System on a Chip 的缩写中文叫片上系统。就是把一个完整的电子系统集成到单个芯片上。可以把传统的电脑主板理解成一个城市各个功能部件都是独立的CPU处理器 市政府大脑决策内存 图书馆临时存放数据显卡 美术馆处理图像声卡 音乐厅处理声音网卡 邮局负责通信 各个芯片之间需要通过电路板上的 “高速公路”总线来连接距离远、速度慢、功耗大。而 SoC 就是把这个城市的所有关键部门全部塞进同一栋大楼里 市政府、图书馆、美术馆、音乐厅、邮局…… 全部在一栋楼里内部有专用电梯直接连通。 所以你得到了一栋功能完整的 “超级大楼”—— 这就是 SoC通用领域 (电脑)主板上有独立的 CPU 旁边独立的 GPU显卡独立的内存条通过总线连接。各个芯片是分开的专用领域手机、手表、无人机、路由器等空间有限、功耗敏感所以把 CPU中央处理器、GPU图形处理器、内存控制器、NPU神经网络处理器用于 AI 加速、ISP图像信号处理器处理摄像头数据、DSP数字信号处理器处理音频 / 通信信号、各类接口控制器USB、PCIe、蓝牙、Wi-Fi 基带等全部塞进一颗芯片 —— 这就是 SoC片上系统System on a Chip当然集成到一起仅仅是与控制和处理类相关的芯片真正的外设还是在外部的比如传感器、麦克风、摄像头、屏幕、扬声器等并没有在 SoC 中集成。CPU vs SoCCPU 是一个负责通用计算的处理器核心。 SoC 是一颗芯片它包含了 CPU以及 GPU、内存控制器、NPU、ISP、DSP、音频处理器、各类接口控制器USB/PCIe/Wi-Fi/ 蓝牙基带等构成一个 “完整的微型计算机系统”。CPU 是 SoC 的一部分SoC CPU 很多其他功能模块。集成在一起就意味着电路板走线短那么整个 SoC 就具有电池续航更长、更低的发热高带宽与低延迟、节省空间与成本、更高的可靠性等多种好处 这也比较符合专用领域的需求。PC 使用 CPU主流是 x86Intel/AMD手机 / 嵌入式主流是 ARM 架构的 SoC细节芯片不仅仅指的是 CPU 这类逻辑类芯片还有存储类芯片接口类芯片模拟类芯片包括各种传感器等都属于芯片范畴。核心结论手机体积小电池容量受限对性能和功耗极度敏感那么必须把所有核心芯片CPU、GPU、内存控制器等从主板上分散变成 ”一个硅片上集成”这就是 SoC 的本质集成 SoC 本质就是在追求用户用得爽厂商造得省四、ARM 版图扩张钱没人嫌多市场没人嫌大。任何公司都有持续发展的内在需求ARM 也不例外。但发展不会凭空发生它必须由具体的市场需求来拉动。ARM 因智能手机的蓬勃需求而起死回生在与 Intel 的竞争中赢得了生存空间。然而单一市场的需求终究有天花板要实现持续发展ARM 必然要被新的、更广泛的需求所拉动走向更广阔的领域 —— 汽车要智能化、服务器要高效化、万物要互联化这些来自千行百业的专用计算需求像磁石一样牵引着 ARM 不断扩张。而每一类场景对性能、功耗、安全性、实时性的要求都截然不同这又必然推动 ARM 分化出种类齐全、等级分明的 CPU IP 核矩阵再通过授权给各领域的产品公司最终满足各行各业独特的计算需求。最终ARM 将业务版图扩张到了以下四个关键领域在很多领域已经是霸主地位1.移动计算基本盘这是 ARM 的立身之本和绝对统治区。从苹果、高通、联发科到三星、华为海思、紫光展锐全球几乎所有主流手机芯片都基于 ARM 架构。平板电脑市场同样如此。2.汽车电子新增长极智能汽车正在成为 “轮子上的超级计算机”这是 ARM 增长最快的市场之一。无论是吉利、蔚来、小鹏、小米、比亚迪等整车企业还是其背后的一级供应商都在大量采用 ARM 架构的芯片用于智能座舱、自动驾驶、车身控制等核心模块。题外话汽车领域供应商主要是三层一级供应商Tier 1直接对品牌方交付完整系统 / 模块如博世的自动驾驶集成系统、宁德时代的动力电池包二级供应商Tier 2向一级供应商提供零部件或半成品不直接接触品牌方如意法半导体向博世提供车载 MCU、ARM 向一级供应商授权芯片 IP、京东方提供车载显示屏模组三级供应商Tier 3提供基础原材料和简单加工如日本信越化学提供硅片、巴斯夫提供工程塑料颗粒宝武钢铁提供汽车钢板3.服务器与数据中心高端突破这是传统上由 x86 架构统治的领域但 ARM 正依靠高能效比和可定制性实现突围。代表性玩家包括华为鲲鹏、飞腾、美国的 Ampere以及自研芯片的云计算巨头亚马逊AWS Graviton。4.AIoT / 物联网广阔蓝海这是 ARM 覆盖范围最广、设备种类最繁杂的领域从微小的传感器到复杂的工业控制器无处不在。微控制器与嵌入式是 ARM 的另一个绝对统治区代表公司如意法半导体其 STM32 系列是工程师心中的经典、恩智浦、微芯、德州仪器以及国内的兆易创新。AIoT 系统级芯片赋能各类智能设备的核心代表公司有瑞芯微RK3588 性能强劲、全志科技、晶晨股份等。工业与通信用于工控机、物联网关、路由器等设备相关企业如华北工控、研华、凌华等。消费可穿戴包括智能手表苹果 Apple Watch、华为、小米、三星、智能电视、机顶盒、音箱等各类终端。实际上智能手机也属于广义的 AIoT 范畴但因其体量巨大单独列为第一项。所以为了满足不同领域不同需求的场景ARM 便有了不同种类的 CPU IP 核的设计方案。 ARM 公司官网https://www.arm.com/中国官网https://www.armchina.com/不同种类 CPU 介绍页面https://www.armchina.com/armip?dataId13istitleCPUARM 四大 Cortex 系列内核介绍Cortex-X超级大核 极致性能优先。为达到最高的处理速度允许在功耗和芯片面积上做出妥协。 “X” 并无官方明确缩写定义可理解为 Extreme极致。 适用旗舰手机超大核、高性能计算场景Cortex-AApplication 应用处理器 针对需要运行 Linux、Android 等复杂操作系统的高性能设备。适用手机、平板、智能电视、车载座舱、服务器、开发板瑞芯微 RK3588 等Cortex-RReal-time 实时处理器针对响应时间有严苛硬性要求的硬实时系统。 适用汽车刹车 / 气囊、硬盘控制器、基带芯片、工业安全控制Cortex-MMicrocontroller 微控制器针对小体积、低功耗、资源受限的嵌入式设备我们主要学习该系列。适用各类单片机、小家电、传感器节点、工业控制、智能穿戴补充细节Cortex 本意是大脑皮层ARM 借此比喻这些处理器核心是智能设备的 “大脑 / 计算中枢”CPU 系列核心特点典型应用场景采购 / 使用企业对应产品示例Cortex-X极致性能旗舰智能手机、高性能 PC苹果、高通、联发科、三星手机 SoC 超大核Cortex-A高性能智能手机、平板、服务器、车载娱乐高通、瑞芯微、华为、联发科RK3568、RK3588Cortex-R高实时性汽车安全、硬盘控制、基带德州仪器、博世汽车 ABS/ESC 控制模块Cortex-M超低功耗、精简单片机 MCU、物联网、工业控制、可穿戴意法半导体、兆易创新、恩智浦STM32 全系列核心结论ARM 根据需求差异主流推出 4 大类 CPU IP 核嵌入式入门学习这里我们主要使用Cortex-M 系列。