ARM服务器相对于现有的x86服务器有什么优缺点，发展前景如何

其实处理器的性能以及功耗归根结底只看工艺和规模，指令集其实没啥关系。arm 的优势就是专注于低功耗的小核心，其授权方式构成生态圈（仅限硬件），硬件开发成本低选择多。但是啊arm没有服务器端的软件基础。

X86正相反，Intel不允许其他企业插手（除了amd，但amd 对做超低功耗x86不热心），但是软件方面却有完整的生态圈。

虽然现在软件多数能跨平台，但是与arm 良好匹配还需要时间证明。所以arm 的关键优势是可以摆脱intel 的垄断，可以实现芯片级的硬件定制。arm 的功耗还有性能功耗比优势什么的完全是唬人的。intel 完全做得到相当的功耗或者性能功耗比，而且它确实正在这个方向发力

概述

　　ARM（Advanced RISC Machines）处理器是Acorn计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。更早称作Acorn RISC Machine。

　　ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

　　ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。

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特点

　　ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。

　　1、体积小、低功耗、低成本、高性能；

　　2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

　　3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；

　　4、大多数数据操作都在寄存器中完成；

　　5、寻址方式灵活简单，执行效率高；

　　6、指令长度固定。

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结构

　　体系结构

　　1 CISC（Complex　Instruction　Set　Computer，复杂指令集计算机）

　　在CISC指令集的各种指令中，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。

　　2 RISC（Reduced　Instruction　Set　Computer，精简指令集计算机）

　　RISC结构优先选取使用频最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主，不用或少用微码控制等

　　RISC体系结构应具有如下特点：

　　1　采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有2～3种。

　　2　使用单周期指令，便于流水线操作执行。

　　3　大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/　存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。

　　除此以外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：

　　4　所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。

　　5　可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率。

　　6　可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。

　　7　在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。

　　寄存器结构

　　ARM处理器共有37个寄存器，被分为若干个组（BANK），这些寄存器包括：

　　1　31个通用寄存器，包括程序计数器（PC指针），均为32位的寄存器。

　　2　6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运行状态，均为32位，目前只使用了其中的一部分。

　　指令结构

　　ARM微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：ARM指令集和Thumb指令集。其中，ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的

　　ARM代码相比较，可节省30%～40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。

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ARM处理器模式

　　处理器模式 说明

　　用户模式(usr) ARM处理器正常的程序执行状态

　　系统模式(sys) 运行具有特权的操作系统任务

　　快中断模式(fiq) 支持高速数据传输或通道处理

　　管理模式(svc) 操作系统保护模式

　　数据访问终止模式(abt) 用于虚拟存储器及存储器保护

　　中断模式(irq) 用于通用的中断处理

　　未定义指令终止模式(und) 支持硬件协处理器的软件仿真

　　除用户模式外，其余6种模式称为非用户模式或特权模式；用户模式和系统模式之外的5种模式称为异常模式。ARM处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变。

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体系结构扩充

　　当前ARM体系结构的扩充包括：

　　·Thumb 16位指令集，为了改善代码密度；

　　·DSP DSP应用的算术运算指令集；

　　·Jazeller 允许直接执行Java字节码。

　　ARM处理器系列提供的解决方案有：

　　·无线、消费类电子和图像应用的开放平台；

　　·存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；

　　·智能卡和SIM卡的安全应用。

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历史

　　1978年12月5日，物理学家赫尔曼·豪泽（Hermann Hauser）和工程师Chris Curry，在英国剑桥创办了CPU公司（Cambridge Processing Unit），主要业务是为当地市场供应电子设备。1979年，CPU公司改名为Acorn计算机公司。

　　起初，Acorn公司打算使用摩托罗拉公司的16位芯片，但是发现这种芯片太慢也太贵。"一台售价500英镑的机器，不可能使用价格100英镑的CPU！"他们转而向Intel公司索要80286芯片的设计资料，但是遭到拒绝，于是被迫自行研发。

　　1985年，Roger Wilson和Steve Furber设计了他们自己的第一代32位、6M Hz的处理器， Roger Wilson和Steve Furber[1]用它做出了一台RISC指令集的计算机，简称ARM（Acorn RISC Machine）。这就是ARM这个名字的由来。

　　RISC的全称是"精简指令集计算机"（reduced instruction set computer），它支持的指令比较简单，所以功耗小、价格便宜，特别合适移动设备。早期使用ARM芯片的典型设备，就是苹果公司的牛顿PDA。

　　20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。

　　1990年11月27日，Acorn公司正式改组为ARM计算机公司。苹果公司出资150万英镑，芯片厂商VLSI出资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。公司的办公地点非常简陋，就是一个谷仓。 20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC(Reduced lnstruction Set Computer)处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。ARM公司既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。

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市场前景

　　微软公司（2011年）宣布，下一版Windows将正式支持ARM处理器。这是计算机工业 arm处理器[2]发展历史上的一件大事，标识着x86处理器的主导地位发生动摇。目前在移动设备市场，ARM处理器的市场份额超过90%；在服务器市场，今年（2011年）就会有25GHz的服务器上市；在桌面电脑市场，现在又有了微软的支持。ARM成为主流，恐怕指日可待。难怪有人惊呼，Intel公司将被击败！

　　与这场轰轰烈烈的变革相比，它的主角ARM公司却没有受到太多的关注，显得不太起眼。这家远离硅谷、位于剑桥大学的英国公司，到底是怎么走到今天的，居然能将芯片巨人Intel拉下马？

　　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。那样的话，Intel的胜算能有多少呢？

从ARM V8到ARM V92，ARM指令集的演进历史以及ARM最重要的Cortex-A系列处理器（CPU Core）的演进过程如下：

ARM V8/V9架构演进

ARMv8架构在2011年10月份推出，至今已经有12年的时间，目前ARM架构已经演进到了v92，今年6月份ARM 官方release了ARMv92指令集对应的移动端（手机/笔记本）CPU核，分别是超大核Cortex-X4，大核A720，以及小核A520。从V8推出到今天，ARM架构的演进过程如下：

ARMv8

发布于2010年10月，主要升级包括：ARMv8引入了全新的架构AArch64以及对应的指令集A64。A64指令集采用32bit定长指令，31个64bit通用寄存器。

相对V7，AArch64架构和A64指令集的引入一方面提升了计算性能，另一方面扩展了寻址能力，支持原生的64bit寻址。当然在实际的使用中，64bit的寻址能力存在浪费，为了减少地址管理的硬件开销，ARM定义了多种虚拟地址位宽，包括36/39/42/47/48/49/52bit。

为了兼容之前的V7架构，除了新引入的AArch64架构以及A64指令集，V8中还把V7兼容架构被定义为AArch32，对应的指令集称为A32和T32，其中T32是对V7时代的Thumb指令的简称，关于Thumb指令请参考ARM官网：ARM7TDMI Technical Reference Manual r4p1

从今天回看历史，ARMv8架构具有划时代的意义，在引入64位架构后，ARM架构具备进入高性能计算领域的基础。伴随着智能手机的快速发展，ARMv8架构不断演进，产生了多个小版本（v81~v85），每个小版本都引入了一些重要的feature，不断完善着ARM架构，随着近些年来云计算的高速发展，ARM的应用领域也从移动端延伸到服务器领域，让ARM变得无处不在（ARM is Everywhere）。

ARMv81

发布于2015年，v81架构引入的主要更新如下：

ISA的更新，包括：

引入了新的原子指令（atomic instruction），增强多核共享数据的操作性能；

引入了新的SIMD指令，即SIMD Instructions for Rounding Double Multiply Add/Substract；

引入LOR（Limited Ordering Regions）特性和新的load、store指令，这些指令基于LOR特性可以减小在大系统中维护Memory Ordering的代价；

改进了MRS，MSR指令，增加PSTATEPAN state bit；

规定CRC32指令是v81必须实现的指令；

Memory Model更新，包括：

支持disable translation table中的APTable，PXNTable，UXNTable属性位；

支持硬件维护 translation table中的Access flag和 Dirty bit;

PSTATE引入了新的state bit，即PAN（Privileged Access Never）；

支持LOR（Limited Ordering Region），新引入的Load-Acquire，Store-Release指令在维护memory ordering时可以限定observer，不需要所有的observers都可见，降低维护的开销；

虚拟化更新，包括：

支持16bit-VMID，增加系统虚拟化的扩展能力；

虚拟化主机相关扩展，支持运行在Non-Secure State的Type 2 Hypervisor；

PMU（Performance Monitor Extension）更新，包括：

新增STALL_FRONTEND and STALL_BACKEND events ；

Event number位宽扩展到16 bits；

在MDCR_EL2寄存器中新增HPMD bit，用于disable PMU event counting in EL2；

ARMv82

发布于2017年4月，v82重点针对企业级市场引入了较多的特性更新，一方面改善CPU机器学习和数据处理的性能，另一方面提升大型系统的可靠性和可分析性，v82引入的主要更新如下：

引入对RAS（Reliability, Availability and Serviceability）和SPE（Statistical Profiling Extension）的支持；

增强了memory model，例如：对于64KB页面支持以及最大支持52bit地址位宽，更多详情请参考：Armv8-A Architecture Evolution

支持半精度浮点（half precision floating，float16），提升机器学习性能；

引入SVE（Scalable Vector Extension），提升机器学习性能；

ARMv83

发布于2017年7月，皆在改善安全性，完善虚拟化，增加对不同数据类型的支持，增强memory model等等，v83引入的主要更新如下：

引入Pointer Authentication，防范JOP（Jump-Orientated-Programming）和ROP（Return-Orientated-Programming）攻击；

引入了Nested Virtualization，让Guest Hypervisor可以透明的运行在Non-Secure EL1状态，改善用户基于租赁的云虚拟机（IaaS）运行用户虚拟机（Guest Hypervisor）的性能；

引入新的指令支持浮点复数乘累加；

引入新的指令支持双精度浮点到32bit有符号整型的转换，提升Javascript 性能；

改善memory model，提升原子操作性能；

增大表征cache sets和ways的ID的位宽，支持更大的cache；

ARMv84

发布于2017年底，ARM v84是ARM v8架构以来的重要一次更新，新引入的特性包括：

支持Secure Virtualization；

增强了Nested Virtualization；

支持small translation table；

放松对对齐的限制；

支持memory partition and monitoring（MPAM），实现共享缓存（L3、LLC）QoS管理；

额外的加解密支持；

支持generic counter scaling，通过设置scaling的倍数N，实现1个clock tick计数增加N，以降低功耗；

增加指令加速SHA运算；

ARMv85~v87

ARM官方并没有正式发布过ARMv85及之后的v8版本，ARM将从v85~88引入的更新合并到ARMv9。对应关系为：v85对应v9 v86对应v91 v87对应v92，具体参考：Armv8-x-and-Armv9-x-extensions-and-features

ARMv9

在2021年3月，ARM发布了最新一代的ARMv9架构和对应的CPU IP（X2，A715，A510），标志着ARM架构进了V9时代。实际上V9相对V8的更新并不像V8之于V7那么大，因为从V8第一个版本开始到V9正式发布的10年间ARM通过小版本演进的方式不断完善ARM架构的性能，安全，虚拟化和可靠性。不过有一点需要注意，从ARM V9开始，ARM A系列逐渐抛弃了对32位架构支持，这是一个比较显著的变化。

ARMv9架构的更新主要概括为以下几点：

改进安全性，包括：支持MTE（Memory Tagging Extension），支持CCA（Confidential Computing Architecture）并引入了realm概念；

改进机器学习性能，重点引入了SVE2（Scalable Vector Extensions）；

v9引入的具体更新包括：

支持MTE（Memory Tagging Extension），改善关键数据在内存中的存取安全性；

支持Branch Target Identification；

支持Random Number Generator指令；

支持新的CMO（Cache Maintenance Operation）指令即Cache Clean to Point of Deep Persistence；

ARMv91

v91引入的具体更新包括：

General Matrix Multiply (GEMM) instructions

Fine grained traps for virtualization

High precision Generic Timer

Data Gathering Hint

ARMv92

v92引入的具体更新包括：

Enhanced support for PCIe hot plug

Atomic 64-byte load and stores to accelerators

Wait For Instruction (WFI) and Wait For Event (WFE) with timeout

Branch-Record recording

ARM移动端CPU演进

ARM架构演进的载体是ARM几乎每年一代的Cortex-A系列CPU IP，下面列出了ARM发布过的Cortex-A系列处理器。注：ARM后续又开辟了X系列，这里一并列出。

bigLITTLE是ARM经典的核心组织架构，可以有效平衡功耗、面积、性能3个因素，曾应用于主流的手机芯片，而在2017年，ARM再一次升级了bigLITTLE架构，推出了DynamIQ架构，其差异主要在于：原先的bigLITTLE架构典型是两个cluster，每个cluster里面典型配置4个CPU核，这4个CPU核心必须运行在同一时钟源下，也就是说这4个CPU核必须工作在相同的电压和频率下。

而DynamIQ架构将每个CPU核都独立出来，可以运行在独立的电压和频率下，给芯片设计提供最大灵活度。不过实际系统设计上，考虑到芯片供电的复杂度和成本，一般不会给每个CPU核独立供电，而是根据任务等级划分成2~3个group。

每个group工作在相同的电压和频率下，例如：2big+2big+4little架构，1ultra+3big+4little架构，以及最新的高通骁龙8Gen2采用的1ultra（X3）+4big（A715）+3little（A510）的组合。下表展示了ARM的bigLITTLE以及DynamIQ bigLITTLE架构的经典CPU组合。

ARM数据中心CPU演进

得益于最近10年移动计算领域对于PPA的需求不断提升，ARM不断推出新的CPU核，同时不断演进核心的组织架构，从Cortex-A73到X4/A720，从A53到A520，从bigLITTLE到DynamIQ等等一系列的新产品，不断推动着移动计算设备性能快速增长。

移动计算的快速增长不断拓展ARM的性能边界，不断完善ARM架构，近些年，ARM携移动计算时代的累累硕果强势进军数据中心领域，希望能为数据中心提供更高能效比和更高性价比的通用算力，以此扩大ARM架构的市场占有率。

ARM从2019年开始正式发布面向数据中心的Neoverse系列CPU核，实际上Neoverse系列CPU核和移动端的CPU核是高度相似的，只是针对服务器端做了少量更新。

AMBA总线标准演进

ARM能成为移动计算领域的霸主，除了得益于ARM架构和ARM CPU核的不断演进外，另一个重要的推手就是ARM总线标准的不断演进，即AMBA总线标准。

总线标准是SoC的神经系统，所有模块之间的数据交互都需要通过总线来完成。ARM推出的AMBA总线标准充满活力，从AMBA到AMBA5已经演进到了第5代，ARM构建了ARM架构+ARM CPU核+AMBA总线为核心的ARM芯片生态系统。

所有的IP vendor以及SoC芯片设计者都以AMBA总线标准为规范，来构建自己的IP或SoC芯片，这使得AMBA总线成了最成功的总线标准。

ARM互联IP演进

如果说ARM架构落地的载体是CPU核，那么AMBA总线标准落地的载体就是ARM推出的一些列互联IP，即ARM的CoreLink Interconnect。ARM的Corelink Interconnect分为两大系列，即coherent和non-Coherent Interconnect。

Coherent Interconnect实现ARM CPU cluster之间的互联，实现cluster之间的fully-coherency，此外还可以支持IO Device和CPU cluster之间的IO Coherency；non-Coherent实现DMA/Ethernet/Multimedia/CPU等Master到DRAM以及模块配置寄存器等Slave的访问。

arm只是在手机处理器上面击败intel，不被看好的主要是四方面原因吧

商用领域没有大的作为，arm主要侧重于娱乐性便携设备，商业上主要是一些单片机，而intel在市面上的商用服务器占据99%的市场，arm虽然也有心想做服务器cpu，但是arm架构的东西就是一个全新的平台，os要重新写，应用程序也要重新写，完全不兼容现有的程序，想换arm服务器这在目前来说是任何一个公司都不敢做也不肯做的事情。而另一个目前正在发展的商用领域就是物联网，现阶段尚无一家胜出，但arm也不被看好。

移动设备正在饱和，今年无论对安卓也好，苹果也好，是一个很重大的年份，安卓大部分新机的cpu和ram已经不再是瓶颈，而苹果也用上了4核，arm设备基本上用10年时间走完了电脑30年的路，而一旦对多数人而言性能够用之后，自然就会出现类似pc行业的情景。

被日本软银收购，至少对中国而言，日后再使用arm作为某些便携设备的处理器就存在安全风险。

arm自身并无制造能力，arm实际上只做架构研制和授权，并没有自行进行生产的能力，而intel既可以研发，也可以生产，还有自己的硅片工厂。