FOREWORD
序
为什么要读这本书
现代生活中可能处处都有Arm处理器，但我们可能并不知道它们的存在。到目前为止，包含Arm处理器的芯片已经生产了1450亿颗，这相当于地球上人均拥有19颗。最令人惊讶的是，Arm公司并不生产芯片，它只提供设计技术成果，通过将这些成果授权给不同的合作伙伴，再生产出不同的处理器芯片。
未来数年，为满足市场的海量需求，将生产大量的片上系统（System-on-Chip，SoC）芯片，尤其像物联网（Internet of Things，IoT）这样的产业更需要通过处理器将数以万亿计的设备互联。在目前市场上的SoC产品中，大多数使用的是Arm公司的Cortex-M处理器系列产品，它们具有面积小、功能强、能耗低的优点，广泛适用于众多应用场景，已经成为许多电子设备的核心。
本书讲解了基于Arm Cortex-M处理器相关内核的SoC设计方法，重点对SoC的构成、设计、集成及应用进行了详细阐述，最后讨论了基于SoC系统的编程。
Arm公司简史
标志着个人计算机历史的疯狂年代始于20世纪80年代。Acorn是一家英国公司，凭借BBC微型计算机取得了巨大成功，英国许多学校都使用了该计算机。该公司在进行新一代计算机研发的过程中，需要一颗功能更为强大的处理器，但在当时的环境下并没有现成的产品能够满足需要，无法简化计算机系统的复杂度并降低成本。Acorn团队随后了解了简化指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）的概念，并发现这种架构的计算机功能强大，能够适应新一代计算机的技术要求。
当时，市面上的RISC处理器仅用于高端计算机系统，这些系统的成本不是核心关注的问题。面对新一代计算机高性能、低成本的需求，这些处理器不能胜任。为此，Acorn团队开始了自己的芯片设计之旅。
这个秘密项目被命名为“Acorn RISC Machine”（简称ARM）。它的第一台处理器ARM1于1985年推出，是由VLSI技术（VLSI Technology）公司采用3 μm工艺制程生产的，可以在6 MHz的频率下运行。这种精简架构的处理器与同时代的CPU相比功耗更低，因此处理器散发的热量更少，可以使用价格更低的塑料材料封装而不会发生熔化。
Arm指令集作为该系列处理器的核心被逐步优化，因而新一代处理器获得了更佳的性能和效率，这是所谓的“架构”的关键元素。
Acorn的几款计算机使用了Arm处理器。起初这些处理器芯片是在自己的工厂生产的，后来Acorn与VLSI技术公司签署了一份协议，将芯片转售给其他公司，这个协议就是第一个“Arm授权许可证”。
1990年，恰逢苹果公司（Apple Computer）的Newton项目需要一款新型处理器，经过与苹果公司的认真讨论，Acorn公司决定分拆其处理器研发部门，并与苹果和VLSI技术两家公司共同成立一家合资企业。该团队随后将“Advanced RISC Machines”的首字母组合Arm定为公司的名称。
新公司的商业模式相较传统企业有着巨大的差异，即Arm公司拥有处理器设计方面的海量专业知识及处理器原创架构等独特的知识产权（Intellectual Property，IP）资产。传统的芯片制造企业既要面对制造、产量、质量、物流、销售渠道等精细而烦琐的工作，同时还要应对纷杂的市场需求。在这样的背景下，芯片制造商很难保持企业自身的竞争力，因为在生产制造、市场应用及持续快速技术创新等方面同时表现出色是非常困难的。出于产业分工最优配置的考虑，把芯片企业拆分成设计和制造两个相互独立又紧密配合的部分成为最佳选择，于是就诞生了Arm这样以知识产权为核心资产的新模式企业。
这家新公司革命性的想法是成为致力于处理器设计领域的研发专业公司。届时，Arm公司将不再出售处理器架构相关的知识产权产品，而是将IP授权给半导体制造商，然后由制造商使用这些IP来设计芯片，并与专用产品结合加以推广。
Arm的生态系统
Arm一开始选择的IP模式要求它与那些使用IP的公司保持紧密的关系，因为Arm公司不生产芯片产品，其成功与否完全取决于芯片制造商将Arm IP集成到芯片后的结果。Arm公司提供高性能的IP能够确保芯片制造商生产的产品具有更好的性能和效率，芯片制造商的成功产品的获利也能确保Arm公司受益，增收的一部分将用于改进具有核心竞争力的IP。Arm和合作伙伴通过版税模式巩固了这种共生关系，Arm的收益在很大程度上取决于包含其IP的芯片的成功程度，这使得公司和客户之间建立了牢固的合作关系，而这种特殊关系的一个重要标志就是客户被称为“合作伙伴”（在公司成立25年后仍然如此）。
建立合作伙伴关系的好处是，每个半导体“合作伙伴”可以专注于不同的应用市场，在各个不同的细分领域内将自己的专业知识和“秘方”集成到产品设计中。这种商业模式可以创造出多样化的产品，越来越多的企业意识到使用Arm公司授权的先进IP和共享“生态系统”的方式开发产品能够有效降低成本、提高竞争力。那些把资金花费在处理器架构开发上的芯片制造商越来越难以与Arm公司竞争。
多家公司使用同一处理器IP核的另一个好处是，开发工具、软件代码和专业累积可以在不同型号的芯片之间复用。在开发包含处理器的产品时，需要使用代码编译器、程序调试器等开发工具，由于Arm架构的广泛应用，各开发工具供应商也乐于在自己的工具链中支持各种型号的Arm处理器。使用具有相同指令架构的处理器，软件开发人员更加容易进行操作系统、程序库、程序框架等代码复用或移植，不必每次更换芯片时都学习新处理器的知识，因而有利于他们积累专业知识，提高工作效率。
Arm公司可以在这个生态系统中不断发展合作伙伴，并不断优化Arm的设计解决方案使其更具吸引力，助力合作伙伴成功开发产品，这种良性的业态循环成为Arm生态系统成功的关键。
软银收购
即使这种IP模式不停地被效仿，但没有任何一家企业能像Arm公司那样成功，这使得Arm公司在行业中一直处于领先地位。它的长期成功离不开对行业合作伙伴保持公平态度及维持生态系统所有合作伙伴平衡发展的理念。2016年是Arm历史上的一个重要里程碑，那年，软银集团与Arm公司管理层达成协议，正式收购Arm公司，并承诺在加速公司发展的同时，继续推进公平合作的价值观。
市场和应用
基于Arm架构的处理器几乎应用于所有需要处理能力的应用程序中，正如Arm公司所述，即“所有计算发生的地方”。多年来，Arm公司开发了一系列处理器产品，以满足多样化的需求，从应用于嵌入式领域的小规模Cortex-M系列处理器到应用于高性能服务器的大规模处理器，还有为世界上95%的移动电话提供动力的Cortex-A系列处理器。在这些处理器之间，功能复杂度和芯片面积甚至有百倍以上的差距。
中央处理器（Central Processing Unit，CPU）并不是Arm公司提供的唯一IP，它已经开发或收购了各种各样的IP，以满足不同产品应用场景的需求。Arm公司还提供“系统IP”，此类IP能够在处理器与系统的其余部分之间进行数据的存储和传输，执行电源和安全性管理，以及启用/关闭软件调试功能等。Arm公司的另一条重要产品线与多媒体处理有关，Arm Mali系列产品已经成为世界上“出货最多”的商用图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）IP。
今日科技赋能未来
Arm公司的核心业务仍然是提供半导体IP授权，同时它也在开发越来越多的软件来与硬件设计配合使用。例如，从物联网产品应用中可以发现这一点。通过Mbed软件平台，Arm公司不仅提供了最匹配硬件单元的软件，还提供了这些设备所需的许多标准功能，如安全管理、单元互连、固件更新或与云服务相关的功能。
Arm公司专门设立一个部门来进行嵌入式软件基础组件的开发，并创建一个名为Pelion的云平台，用于连接和管理那些使用Arm处理器的嵌入式设备并将相关数据整合到企业数据系统中。
从提供IP授权到云服务，Arm公司为合作伙伴提供了一个预集成的物联网解决方案，其中蕴含了Arm公司对未来产品算力和安全性的深刻理解。
Arm公司持续推动技术变革，以保证其IP一直处于安全互联的数字世界的核心。Arm公司的授权许可拥有不同的类型，如通过Arm DesignStart项目或者Arm Flexible Access业务，使用Arm IP启动技术开发更加容易。
从传感器到智能手机，再到超级计算机，Arm公司促进科技创新发展，Arm技术让灵智成为可能！
Mike Eftimakis
Arm业务创新战略总监