ARM技术应用领域的现状及发展趋势

ARM技术应用领域的现状及发展趋势

一、前言

各种新型微处理器的出现和应用的不断深化，嵌入式系统在后PC时代得到了空前的发展。随着时间的推移和技术的进步，在工业控制、家用电器、智能仪器仪表、机电控制等领域，已不断展现出其独特魅力。与桌面计算机不同，嵌入式计算机系统以应用为中心，具有专用性、低成本、低功耗、高性能、高可靠性等特点。嵌入式系统日益广泛的应用也让人们认识到这项技术蕴含的巨大的市场潜力。市场的需求带动了对技术人才的需求，在未来5年里嵌入式系统领域将有超过120万的人才缺口，社会急需嵌入式系统相关专业的人才。

二、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、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。适用于多种领域，比如嵌入控制、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，在全球设立了多个办事处，是苹果、Acorn、VLSI、Technology 等公司的合资企业。

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。

三、ARM公司产品

ARM?体系结构是业界领先的微处理器体系结构，为系统和软件工程师提供

了开发低能耗、高性能消费类和工业产品的硅验证解决方案。这些终端产品涵盖了从汽车和工业监视器到家庭娱乐和移动设备的各个领域。

ARM 完整产品线包括微控制器、微处理器、图形处理器、实现软件、单元库、嵌入式内存、高速连接产品、外设以及开发工具。借助于完善的设计服务、培训、支持和维护以及公司的庞大合作伙伴社区，我们提供了一个全面的系统解决方案，为主要电子设备公司提供一条快速可靠的途径将产品推向市场。

2.1.处理器

ARM 是 32 位嵌入式微处理器的行业领先提供商，已推出各种各样基于通用体系结构的处理器，这些处理器具有高性能和行业领先的功效，而且系统成本也有所降低。与业界最广泛的体系（拥有超过 750 个可提供硅、工具和软件的合作伙伴）相结合，已推出的一系列 20 多种处理器可以解决每个应用难题。迄今为止，ARM 已生产超过 200 亿个处理器，每天的销量超过 1000 万，是真正意义上的The Architecture for the Digital World?（数字世界的体系结构）。

2.2 系统 IP - CoreLink 和 CoreSight

(View Larger 系统 IP - CoreLink 和 CoreSight Image)

ARM 系统 IP 在 ARM Cortex?和 Mali?处理器与内存和外设之间搭设一条数字高速公路，以确保获得最佳的系统性能和能源效率。

CoreLink?产品组合包括互连、静态和动态内存控制器、高速缓存和 DMA 控制器以及 AMBA 设计工具，以便于设计最佳的 SoC。

CoreSight?调试和跟踪 IP 在 SoC 产品中提供世界领先的可见性，从而实现软件优化以提高产品可靠性和性能并缩短上市时间。

2.3.多媒体 - 来自 ARM 的图形、视频和音频处理

ARM 提供了一系列嵌入式图形 IP、视频 IP 和音频解决方案，这些解决方案为现在和将来的各种消费类、无线、汽车和企业设备上的多媒体应用程序提供支持。

2．4.用于 SoC 实现的物理 IP

(View Larger 用于 SoC 实现的物理 IP Image)

ARM 是处理器设计和制造方面的世界领先物理知识产权 (IP) 提供商，可加快复杂片上系统 (SoC) 集成电路的设计过程。ARM?物理 IP 平台包括逻辑 IP、嵌入式内存 IP 和接口 IP，全部针对具体的代工厂工艺进行了优化。ARM 物理 IP 提供：

最广泛的平台 IP 解决方案，从 28 纳米到 250 纳米

最短的上市时间

最低的总拥有成本

针对处理器、多媒体和系统 IP 进行优化的解决方案

2.5.ARM 开发工具

ARM 工具是针对 ARM 体系结构的业界标准，持续开发时间超过了 20 年。在2005 年，ARM 收购了 Keil 工具业务，新增了 MCU 工具来完善我们的 ARM?RVDS?工具系列。

独特优点

ARM 工具系列为所有应用程序开发阶段提供了最佳工具解决方案。这些工具与ARM 处理器 IP 一起开发，与第三方工具提供商相比具有以下独特优点：

高性能 - 已在数十亿的产品开发中使用

可靠 - 与 ARM IP 一起开发并经过 ARM IP 的验证

四、ARM嵌入式处理器

ARM嵌入式处理器是一种32位高性能、低功耗的RISC芯片，它由英国ARM 公司设计，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入ARM的相关技术，如TI、Motorola、Intel、Atmel、Samsung、Philips、Altera、Nec、Sharp、NS等公司都有相应的产品。ARM微处理器一般都具有体积小、功耗低、成本低、性能高、速度快的特点，目前ARM 芯片广泛应用于工业控制、无线通信、网络产品、消费类电子产品、安全产品等

领域，如交换机、路由器、数控设备、机顶盒、STB及智能卡都采用了ARM技术，并在将来取得更广泛的应用。

由于嵌入式实时操作系统具有高度的模块化、扩展性和可靠性，使得嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得越来越重要。在嵌入式应用中使用嵌入式实时操作系统能充分发挥32位CPU的多任务潜力；提高开发效率，缩短开发周期；并且开发出来的产品具有高可靠性。目前来讲，嵌入式操作系统有几十种，常见的嵌入式操作系统有μCLinux、RTLinux、Windows CE、Palm OS、VxWorks、OSE、eCOS、μC/OS-II。

五、ARM处理器的优势

ARM处理器的优势对于如今大量出现的32位嵌入式应用，以笔者之见，arm 处理器的优势主要有以下几个方面。

1．高性能、低功耗、低价格把ARM处理器的性能拿来和一些着名的通用处理器（如Pentium）相比是不合适的，因为他们各自针对的应用需求是不同的。Pentium处理器采用多条指令流水线的超标量结构，追求通用应用目标下的超强性能，功耗大，可以用散热器加风扇散热。ARM针对嵌入式应用，在满足性能要求的前提下，力求最低的功率消耗。ARM结构的优点是能兼顾到性能、功耗、代码密度、价格等几个方面，而且做得比较均衡。在性能/功耗比（MIPS/W）方面，ARM处理器具有业界领先的性能。基于ARM核的芯片价格也很低，目前arm CortexM 的芯片价格可低至10元人民币左右。

2．丰富的可选择芯片ARM只是一个核，ARM公司自己不生产芯片，采用授权方式给半导体生产商。目前，全球几乎所有的半导体厂家都向ARM公司购买了各种ARM核，配上多种不同的控制器（如LCD控制器、SDRAM控制器、DMA控制器等）和外设、接口，生产各种基于ARM核的芯片。目前，基于ARM核的各种处理器型号有好几百种，在国内市场上，常见的有ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal等厂家的芯片。用户可以根据各自的应用需求，从性能、功能等方面考察，在许多具体型号中选择最合适的芯片来设计自己的应用系统。由于ARM核采用向上兼容的指令系统，用户开发的软件可以非常方便地移植到更高的arm平台。

3．广泛的第三方支持以如今的技术，设计一个处理器并非难事，但要使这个处理器得到大家认可，并取得市场成功却是非常困难的，其中涉及许多技术与非技术的因素和环节，还包括时机、运气。因为现在许多产品的开发，不是一个简单的处理器加几百条指令、语句就可以解决的。要用到32位处理器，一般都要有编译器、高效的开发工具（仿真器及调试环境）、操作系统、协议栈等，这些东西都不是一个芯片生产商可以解决的，而需要许多第三方的支持。这就像一粒种子，需要土壤、空气、水等环境才能发芽、成长。这也是我们的一些“中国芯”该反思之处。

ARM通过近20年的培育、发展，得到了广泛的第三方合作伙伴支持。目前，除通用编译器GCC，ARM有自己的高效编译、调试环境（MDK、Keil），全球约有50家以上的实时操作系统（RTOS）软件厂商和30家以上的EDA工具制造商，还

有很多高效率的实时跟踪调试工具的厂商，对ARM提供了很好的支持。用户采用arm处理器开发产品，既可以获得广泛的支持，也便于和同行交流，加快开发进度，缩短产品的上市时间。

4．完整的产品线和发展规划ARM核根据不同应用需求对处理器的性能要求，有一个从ARM7、ARM9到ARM10、ARM11，以及新定义的CortexM/R/A系列完整的产品线。前几年应用较多的主要是基于V4架构的ARM7TDMI、ARM720T、ARM920T 核的一些处理器芯片，如NXP的LPC2000系列、ST的STR7/9系列、Atmel的AT91系列和Samsung的S3C系列。近两年，arm Cortex系列以更好的性能、更低的价格得到快速推广，典型的就是基于CortexM3的STM32系列。

ARMCortexM/R/A系列分别针对不同的应用领域。M系列主要面向传统微控制器（MCU/单片机）应用，这类应用面很广，要求处理器有丰富的外设，并且各方面比较均衡；R系列强调实时性，主要用于实时控制，如汽车引擎；A系列面向高性能、低功耗应用系统，如智能手机。选用ARM处理器进行开发，技术积累性较强，生命周期长，设计重用度高，不易被淘汰。用户在选择ARM处理器时，可以针对应用需求，从大量的arm芯片中选用满足性能、功能要求的产品，以获得较好的性价比。

六、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feature phone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(Tablet PC)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，正是ARM这几年的重点市场所在。嵌入式市场应用广泛，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，提供一个金字塔型的费用等级给各个芯片厂商选择。其中，金字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IC设计公司来说，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在与中国公司的合作中发现，从个人、企业到政府，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，只有产业联盟才能改善这种僵局，真正达到知识产权保护。过去几年中，ARM一直推进产业合作，打造整条ARM技术联盟，目前ARM已具有庞大的第三方合作联盟，涉及整条产业链中的各个阶段，合作伙伴包括两百家芯片公司、50家操作系统公司，以及更多的OEM公司。

ARM未来将注重两大要点，一为产品的细分化，二为多核应用。对于产品各个应用对功耗、用户界面和性能要求的不同，ARM将其产品系列分为A系列、R 系列、M系列，根据具体的应用推广产品。对于多核，将更注重功耗的降低、软件的兼容性以及高速应用。

七、 2013年嵌入式行业的八大趋势

市场研究公司VDC研究集团为我们带来了2013年嵌入式软硬件市场的八大趋势。

1. Android推动商业化Linux市场

随着设备厂商将Android用于手机以外的应用环境，商业化Linux市场将会迎来新的增长。

2. 更多的多操作系统设备

更多的应用环境将会采用传统操作系统所无法支持的尖端用户界面，终端用户会寻求多操作系统设备。

3. 嵌入式和移动市场会迎来更多的虚拟化应用

随着硬件BOM成本、附加运行环境执行延时和成本的下降，操作系统虚拟化会迎来更大的机遇，成为更多供应商的重点目标。

4. Symbian的损失变成MeeGo的增长

英特尔对嵌入式市场的持续关注加上Symbian在战略方向上的失误导致诺基亚将重点转向Linux平台，这些变化将会为MeeGo带来增长。

5. OEM厂商会采用更多的网络端安全测试工具

嵌入式设备产品与云端和网络端内容交互日益增多，OEM厂商将会采用更多的网络端安全测试工具。

6. 数据负担让电信厂商加大对商品化产品的投入

移动设备数据使用带来的负担越来越大，驱动了无线基础设施上的投资需求，也让垂直电信行业加大自己在商品化产品上的投入。

7. 微软从手机上获利

Windows Phone 7引发热潮，微软会重新成为手机领域的主要选手。

8. 更多的RTOS收购？

2009年和2010年发生了一系列高额收购，VDC预测另一家主要的嵌入式实时操作系统供应商将会在2011年被收购。