ARM(Advanced RISC Machines，简称ARM)公司是全球领先的半导体知识产权(IP)提供商，在在数字电子产品开发领域处于核心地位。本文从ARM公司的形成及发展历史出发，进一步深入了解了ARM架构以及精简指令集系统，随后通过分析ARM公司的IP授权战略及市场状况，总结出ARM公司取得成功的原因，具有一定的参考意义。
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第一章 ARM公司简介 1.1 ARM公司简介 1.2 ARM公司发展历程 1.3 ARM的IP授权模式 第二章 ARM架构 2.1 精简指令集 2.1.1 精简指令集简介 2.1.2 精简指令集发展背景 2.1.3 精简指令集优缺点分析 2.2 ARM架构 2.2.1 ARM架构简介 2.2.2 ARM架构图 第三章 ARM市场分析 3.1 2017年ARM数据 3.2 ARM市场分类 第四章 ARM取得成功的原因分析 第五章 参考文献
1.1 ARM公司简介 ARM(Advanced RISC Machines，简称ARM)公司是全球领先的半导体知识产权(IP)提供商，公司设计高性能、廉价、耗能低的RISC处理器方案，并将其授权给第三方合作伙伴，第三方合作生产基于ARM架构芯片，ARM则按芯片价格与出货量获得一次性授权入门费与版税提成。 ARM公司是苹果、Acorn、VLSI、Technology等公司的合资企业。ARM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。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。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。作为全球领先的半导体知识产权 (IP) 提供商，全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构，因此其在数字电子产品的开发中处于核心地位。 ARM 公司是专门从事基于RISC 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用ARM 公司的授权，因此既使得ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 ARM公司的总部位于英国剑桥，它拥有1700多名员工，在全球设立了多个办事处，其中包括比利时、法国、印度、瑞典和美国的设计中心。 1.2 ARM公司发展历程 如今，ARM公司的成功有目共睹。那么，作为数字电子行业的引领者，ARM公司究竟有着怎样的发展史呢？ 1978年，一家名字叫CPU的公司，悄悄在英国剑桥诞生。不过，这个CPU指的不是电脑里面的CPU芯片，而是跟它有一样字母的公司。CPU公司的全称是Cambridge Processor Unit，字面意思是“剑桥处理器单元”。奥地利籍物理学博士Hermann Hauser和他的朋友，英国工程师Chris Curry是CPU公司的创始人。 CPU公司成立之后，主要从事电子设备设计和制造的业务。他们接到的第一份订单，是制造赌博机的微控制器系统。这个微控制器系统被开发出来后，称之为Acorn System 1。在Acorn System 1之后，他们又陆续开发了System 2、3、4，还有面向消费者的盒式计算机——Acorn Atom。 1979年，在经营逐渐进入轨道之后，CPU公司改名为Acorn Computer Ltd。 1981年，Acorn公司迎来了一个难得的机遇——英国广播公司BBC打算在整个英国播放一套提高电脑普及水平的节目，他们希望Acorn能生产一款与之配套的电脑。这个计划非常宏大，英国政府也参与其中（购机费的一半将由政府资助），电脑一旦采购，将进入英国的每一间教室。接下这个任务之后，Acorn就开始干了起来。结果，很快他们就发现，自己产品的硬件设计并不能满足需求。当时，中央处理器的发展潮流，正在从8位变成16位。Acorn并没有合适的芯片可以用。 一开始，他们打算使用美国国家半导体和摩托罗拉公司的16位芯片。但是，经过评估后，他们发现了两个缺陷：第一，芯片的执行速度有点慢，中断的响应时间太长。第二，售价太贵，一台500英镑的电脑，处理器芯片就占到100英镑。 于是，他们找到当时如日中天的英特尔（Intel），希望对方提供一些80286处理器的设计资料和样品。然而，英特尔冰冷地拒绝了他们。备受打击的Acorn公司，最终决定自己造芯片。 当时，Acorn公司的研发人员从美国加州大学伯克利分校找到了一个关于新型处理器的研究——简化指令集，恰好可以满足他们的设计要求。在此基础上，经过多年的艰苦奋斗，来自剑桥大学的计算机科学家Sophie Wilson和Steve Furber最终完成了微处理器的设计。对于这块芯片，Acorn给它命名为Acorn RISC Machine（这便是“ARM”的由来），当时研发出来的第一款处理器芯片的型号，被定为 ARM1。 但是，就在同一年，1985年10月，英特尔发布了80386。在80386面前，ARM1与之相比毫无优势可言。但就是这样的差距，让ARM有意无意地选择了与Intel不同的设计路线——Intel持续迈向x86高效能设计，ARM则专注于低成本、低功耗的研发方向。 在ARM1之后，Acorn陆续推出了好几个系列，例如ARM2，ARM3。 1990年，Acorn与苹果公司合作，正是成立了名叫ARM（Advanced RISC Machines）的公司。值得一提的是，这里的ARM不再是芯片名称了，而是公司名称。ARM是一家合资公司，苹果投资150万英镑，芯片厂商VLSI投资25万英镑，Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。 在成立后的几年里，ARM业绩平平，工程师们也人心惶惶，害怕随时都会失业。在这个情况下，ARM决定改变他们的产品策略——他们不再生产芯片，转而以授权的方式，将芯片设计方案转让给其他公司，即“Partnership”开放模式。 没想到正是这种模式，开创了属于ARM的全新时代。 当ARM提出这种合作模式之后，开始了尝试—— 1991年，ARM将产品授权给英国GEC Plessey半导体公司。 1993年，ARM将产品授权给Cirrus Logic和德州仪器（Texas Instruments，TI）。 与德州仪器的合作，给ARM公司带来了重要的突破。而且，也给ARM公司树立了声誉，证实了授权模式的可行性。此后，越来越多的公司参与到这种授权模式中，与ARM建立了合作关系。其中就包括三星、夏普等公司。在此基础上，ARM坚定了授权模式的决心，并着手设计更多性价比高的产品。 1993年，苹果公司推出了一款新型掌上电脑产品——Newton。ARM公司开发的ARM6芯片被用于该产品之中。但是很遗憾，因为Newton技术过于超前，加上一些用户体验上的缺陷，所以未能被市场接受，后来以失败告终。但ARM积累了经验，继续改良技术。没过多久，ARM迎来了自己的黄金机遇——移动电话时代来临了。 ARM首先迎来了一个大客户——诺基亚Nokia。当时，诺基亚被建议在即将推出的GSM手机上使用德州仪器的系统设计，而这个设计是基于ARM芯片的。因为内存空间的问题，诺基亚一开始对ARM是拒绝的。为此，ARM专门开发出16位的定制指令集，缩减了占用的内存空间。就这样，诺基亚6110成为了第一部采用ARM处理器的GSM手机，上市后获得了极大的成功。ARM后来又跟着推出了ARM7等一系列芯片，授权给超过165家公司。随着移动手机的井喷式普及，ARM取得了商业上的巨大成功。 1998年4月17日，业务飞速发展的ARM控股公司，同时在伦敦证交所和纳斯达克上市。 在ARM公司上市之后，处于后乔布斯时代的苹果公司，逐步卖掉了所持有的ARM股票，把资金投入到ipod产品的开发上。鉴于苹果研究人员对ARM芯片架构非常熟悉，ipod也继续使用了ARM芯片。众所周知，ipod取得了巨大的商业成功。 2007年，苹果iPhone的出现，彻底颠覆了移动电话的设计，开启了全新的时代。而第一代iPhone，使用了ARM设计、三星制造的芯片。Iphone的热销，App Store的迅速崛起，让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。 紧接着，2008年，谷歌推出了Android（安卓）系统，也是基于ARM指令集。 至此，智能手机进入了飞速发展阶段，ARM也因此奠定了在智能手机市场的霸主地位。 同年，ARM芯片的出货量达到了一百亿颗。 2014年，福布斯杂志将ARM评为世界上五大最具创新力的公司之一。 2016年7月18日，日本软银集团以243亿英镑（约309亿美元）收购了ARM集团。至此，ARM成为软银集团旗下的全资子公司。不过，软银集团表示，不会干预或影响ARM未来的商业计划和决策。
1.3 ARM的IP授权模式 说到ARM,就不得不提到ARM的IP授权模式。 ARM公司商业模型为，IP授权为核心的无晶圆半导体公司。与Intel不同，ARM公司也是Fabless无晶圆半导体，这一点跟NVIDIA以及卖掉晶圆厂之后的AMD是一样的，不过ARM公司自己不产任何处理器，主要是提供IP授权给半导体合作伙伴（高通、苹果、AMD及三星等），后者使用ARM的架构、设计以及开发工具推出自己的处理器，然后再供应给OEM客户（各种手机、平板厂商就是这样的），这是一个简单的例子，期间可能还会有二次授权。 ARM的收入就源于这个循环，合作伙伴购买ARM的IP授权需要交技术授权费（license fee），还会根据厂商的处理器价格抽取一定的版税（ongoing royalties，也可以说是提成、特许费之类的），这可能涉及芯片的各个环节。 简单来说，ARM的商业模型就是“你交钱，我授权”，对处理器设计研发是“包教包会”，会提供一系列工具帮助客户简化开发。 ARM是以提供IP授权为主要商业模型的。ARM同时为客户提供了多种有弹性的授权类型，具体来说有三种授权方式：POP、处理器以及架构授权。 处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的CPU或者GPU处理器，对方不能改变原有设计，但可以根据自己的需要使用。举例来说，三星的Exynos 5 Octa使用的是四个Cortex-A7和四个Cortex-A15处理器，这就是处理器授权。ARM会提供一系列指导确保用户使用他们的设计，但是最终产品的频率、功耗之类的还要靠厂商自己的团队。 POP（processor optimization pack，处理器优化包）授权是处理器授权的高级形式，如果合作伙伴的团队驾驭不了ARM处理器，那么ARM也可以出售优化后的处理器给你，这样用户就能在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器了。在Cortex-A8时代，三星以及苹果的团队就能比其他公司研发出更好的处理器，但是不是所有的公司都有这样的能力，所以POP授权对这些有心却无力的公司来说更适合。ARM前不久发布的Cortex-A12架构就是在GF以及TSMC的28nm工艺下的一种POP授权方式。 最后一种授权方式是架构授权，ARM会授权对方使用自己的架构（ARMv7或者ARMv8），然后对方可以根据自己的需要来设计处理器，这就是高通Krait处理器使用的授权方式，苹果目前的“Swift”架构也是如此。这些处理器跟ARM自己设计的Cortex-A15处理器是ISA兼容的，但是有高通、苹果自己的实现方式。这种授权中你会得到一些指导以及一系列测试来验证与ARM ISA的兼容性，ARM会提供一些帮助，但是不可能帮你设计、开发自己的处理器。
2.1 精简指令集 2.1.1精简指令集简介 所谓精简指令集，是计算机中央处理器的一种设计模式，也被称为RISC(Reduced Instruction Set Computing的缩写)。这种设计思路对指令数目和寻址方式都做了精简，使其实现更容易，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。 常用的精简指令集微处理器包括DECAlpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、PowerArchitecture(包括PowerPC)和SPARC等。这种设计思路最早的产生缘自于有人发现，尽管传统处理器设计了许多特性让代码编写更加便捷，但这些复杂特性需要几个指令周期才能实现，并且常常不被运行程序所采用。此外，处理器和主内存之间运行速度的差别也变得越来越大。在这些因素促使下，出现了一系列新技术，使处理器的指令得以流水执行，同时降低处理器访问内存的次数。早期，这种指令集的特点是指令数目少，每条指令都采用标准字长、执行时间短、中央处理器的实现细节对于机器级程序是可见的。 2.1.2 精简指令集发展背景 在计算机指令系统的优化发展过程中，出现过两个截然不同的优化方向：CISC技术和RISC技术。CISC是指复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer)；RISC是指精简指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer)。 这里的计算机指令系统指的是计算机的最低层的机器指令，也就是CPU能够直接识别的指令。随着计算机系统的复杂，要求计算机指令系统的构造能使计算机的整体性能更快更稳定。 最初，人们采用的优化方法是通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度，这种计算机系统就被称为复杂指令系统计算机，即Complex Instruction Set Computer，简称CISC。 另一种优化方法是在20世纪80年代才发展起来的，其基本思想是尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用一段子程序来实现，这种计算机系统就被称为精简指令系统计算机．即Reduced Instruction Set Computer，简称RISC。RISC技术的精华就是通过简化计算机指令功能，使指令的平均执行周期减少，从而提高计算机的工作主频，同时大量使用通用寄存器来提高子程序执行的速度。 2.1.3 精简指令集优缺点分析 RISC和CISC是设计制造微处理器的两种典型技术，虽然它们都是试图在体系结构、操作运行、软件硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出某种平衡，以求达到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差异很大，它们主要有： （1）指令系统：RISC设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。 （2）存储器操作：RISC对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC机器的存储器操作指令多，操作直接。 （3）程序：CISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而RISC汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。 （4）中断：RISC机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断，但是相比CISC指令执行的时间短，所以中断响应及时；而CISC机器是在一条指令执行结束后响应中断。 （5）CPU：RISC CPU包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISCCPU包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 （6）设计周期：RISC微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC微处理器结构复杂，设计周期长。 （7）用户使用：RISC微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。 （8）应用范围：由于CISC指令系统的确定与特定的应用领域有关，故CISC机器更适合于专用机；而RISC机器则更适合于通用机。
2.2 ARM架构 2.2.1 ARM架构简介 ARM架构过去称作进阶精简指令集机器（AdvancedRISCMachine，更早称作：AcornRISCMachine），是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。 在今日，ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机）到电脑外设（硬盘、桌上型路由器）甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此还有一些基于ARM设计的派生产品，重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。 2.2.2 ARM架构图
图2-1 ARM架构示意图 ARM架构示意图如图2-1所示。它由32位ALU、若干个32位通用寄存器以及状态寄存器、32&TImes;8位乘法器、32&TImes;32位桶形移位寄存器、指令译码以及控制逻辑、指令流水线和数据/地址寄存器组成。 1、ALU：它有两个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结果以及零检测逻辑构成。
2、桶形移位寄存器：ARM采用了32&TImes;32位的桶形移位寄存器，这样可以使在左移/右移n位、环移n位和算术右移n位等都可以一次完成。 3、高速乘法器：乘法器一般采用“加一移位”的方法来实现乘法。ARM为了提高运算速度，则采用两位乘法的方法，根据乘数的2位来实现“加一移位”运算;ARM高速乘法器采用32&TImes;8位的结构，这样，可以降低集成度（其相应芯片面积不到并行乘法器的1/3）。 4、浮点部件：浮点部件是作为选件供ARM构架使用。FPA10浮点加速器是作为协处理方式与ARM相连，并通过协处理指令的解释来执行。 5、控制器：ARM的控制器采用的是硬接线的可编程逻辑阵列PLA。 6、寄存器
3.1 2017年ARM数据 ▲ARM市场份额 据软银公司2017年世界大会公布的ARM市场份额，2017年，ARM主要市场的市场份额如图3-1所示：
智能手机 调制解调器 车载信息设备 可穿戴设备图3-1 ARM市场份额 市场份额显示，ARM应用于智能手机＞99%、调制解调器＞99%、车载信息设备＞95%、可穿戴设备＞90%。 ▲ 版税和授权 ARM 的商业模式为IP授权，即通过知识产权授权的方式，收取一次性技术授权费用和版税提成。据了解，ARM 只专注于设计芯片蓝图，代工或生产有授权客户自行解决。 2017年，公司仅授权（Licensing）受益就超过6亿美元，包括45起Cortex-A（高性能、密集型）授权，16起Cortex-R（快响应）授权，58起Cortex-M（小型、低功耗）授权，以及22起邮件服务授权。 ▲2017年行业增长VS ARM业绩增长 2017年，半导体产业总体规模达4100亿美元，增值22%，芯片体量增长14%，内存和数据中心GPU市场增长显著；半导体相关产业规模1650亿美元，增值9%，芯片体量增长14%，单片机增长强劲，手机端应用增长放缓。 2017年ARM版税（Royalty）营收11亿美元，增值12%，芯片体量增长20%，在嵌入式芯片市场份额上升；基于ARM的片上集成系统（SoC）2017年放量213亿（2016年为177亿），占总体市场份额39%，至此，ARM历史芯片放量达1200亿。 3.2 ARM市场分类 具体来看，ARM分为以下五大市场： 1、移动计算，包括应用处理器和其他手机芯片，2017年ARM的市场份额分别占90%和45%，市场价值分别为210亿美元和140亿美元，计划2026年市场价值增至320亿美元和180亿美元。 2、基础设施，包括互联网和服务器，2017年ARM的市场份额分别占20%和近1%，市场价值分别为140亿美元和170亿美元，计划2026年市场价值增至190亿美元和220亿美元。 3、汽车，包括车载娱乐（IVI，车载专用中央处理器）与辅助驾驶（ADAS，先进驾驶辅助系统），以及其他汽车电子/芯片，2017年ARM的市场份额分别占90%（IVI+ADAS）和10%，市场价值分别为40亿美元和80亿美元，计划2026年市场价值增至150亿美元和150亿美元。 4、嵌入式芯片，包括物联网设备控制器和微控制器/SIM卡，2017年ARM的市场份额分别占90%和20%，市场价值分别为70亿美元和170亿美元，计划2026年市场价值增至240亿美元和210亿美元。 5、其他市场，包括消费电子和其他芯片，2017年ARM的市场份额分别占40%和40%，市场价值分别为210亿美元和70亿美元，计划2026年市场价值增至270亿美元和100亿美元。 总体来看，芯片市场可分为处理器（现在的目标市场）和可寻址芯片（未来的目标市场），2017年ARM的市场份额分别占39%和25%，市场价值分别为1300亿美元和1650亿美元，计划2026年市场价值增至2000亿美元和2200亿美元。
个人认为，ARM公司之所以能够取得成功，主要有以下几个原因： 一、IP授权模式的成功应用 ARM公司能够取得成功，与其独创性的IP授权模式密不可分。 ARM公司的商业模式为不生产任何商用的半导体产品，只依靠收取知识产权（IP）使用费来获取收益。ARM公司不生产芯片带来直接的好处就是，芯片巨头不再认为ARM是竞争对手，相反还是可以相互合作的朋友。ARM能与芯片厂商化敌为友，避免了硬碰硬，这一招可谓高明至极。
二、技术上的独到性 在IT领域，技术也许不是企业成功所需的决定性因素，但绝对是每家公司都非常重视因素。ARM公司能在短短十年的时间内脱颖而出，在很大程度上也在于其在技术上的独到性——ARM注重灵活的配置和良好的软件兼容性。 正因为ARM处理器在设计上有不少独到之处，才使得它得到了广泛的应用。在ARM公司提供的技术授权中，生产商可以根据不同的需要对ARM处理器进行配置，这也就是说，ARM公司能够按需定做处理器芯片，即便是两家厂商采用了同样的ARM技术授权，其生产的芯片在技术细节上也是不同的。比如英特尔的 Xscale和德州仪器的OMAP处理器均是出自ARM 9系列，其核心完全相同，但是使用的DSP内核会略有差异，这样既能保证***作系统运行程序的一致性，又能满足不同芯片的个性化需求。
三、在合适的时期，选择了合适的领域。 所谓“三分天注定，七分靠打拼”，毫无疑问，在ARM的发展过程中，其“七分”的打拼对其成功起到了决定性作用；但同时，相关领域的发展也对其成功起到了一定的推进作用。 当ARM公司创始人之一Robin Saxby从摩托罗拉出来创业时，就一直在思考这样的问题：如何让弱小ARM公司生存下来？ ARM公司当时唯一有竞争力的是全世界首款商用RISC微处理器，并得到了苹果公司的认同。然而，与那时的芯片巨人相比，无论在财力和人力上，ARM都象一只小舢板，在疾风骤雨中，随时都可能会翻船。 于是，ARM公司巧妙地选择了一个被人忽视的切入点——32位嵌入式处理器的内核设计。由于那时4位和8位的嵌入式处理器大行其道，而英特尔又专注于PC处理器，以至于ARM得到了可乘之机，而互联网的崛起和移动通信的发展又刺激了嵌入式处理器的需求，ARM 提供的芯片技术既能满足日益增长的多媒体需求，又有省电节能的特殊功效，一时之间，形成了新的消费热点，也带动了半导体产业的扩张。可以说，ARM最初切入32位嵌入式处理器具有一定的前瞻性，这也为ARM的成功奠定了坚实的基础。
【1】一文带你了解ARM的发展历程.电子发烧友网. 【2】回顾ARM公司发展史上的十大决定性时刻 .搜狐. 【3】四两拨千斤，ARM是如何运作、靠什么赚钱的 .超能网. 【4】精简指令集.百度百科 【5】ARM规划出炉 四年占领千亿芯片份额.千家网 【6】徐铭.ARM公司在嵌入式微处理器市场的竞争和营销策略.复旦大学. 【7】ARM成功启示录.豆瓣.
