Android开发者需要了解的芯片知识

作为 Android 开发者，在平时的开发中，必然要处理 arm、armv7a、armv8a、x86 芯片架构是什么？armv7aa是什么意思？今天，抱着以下问题，让我们在手机开发中打开一些芯片的理论知识。

一、CPU

接触过电脑的朋友都知道CPU中央处理器是负责计算机主要操作任务的组件。一般来说，我们把CPU比喻为人的大脑。了解稍深的用户会听到CPU有x86、ARM前者主要用于等分类PC等大型设备，后者主要用于手机平板等小型设备。

那么这里的x86、ARM是什么意思？x86、ARM除此之外，还有一种芯片设计架构MIPS也比较出名。

二、指令集

CPU执行计算任务时需要遵循一定的规范，程序需要在执行前翻译成CPU可以理解的语言。这种规范或语言是指令集（ISA，Instruction Set Architecture）。程序按照指令集的规范翻译成CPU可识别底层代码的过程称为编译（compile）。x86、ARM v8、MIPS都是指令集的代号。例如，可以扩展指令集x86增加64个支持就有了。x86-64。制造商与某个指令集兼容开发CPU集专利持有人需要授权的典型例子，如Intel授权AMD，使后者发展兼容性x86指令集的CPU。

类似于人类语言，可以有很多语言，但只有少数主流语言。下面，让我们介绍一下ARM、x86、MIPS、PowerPC、RISC-V等几个主流指令集。

2.1 ARM

ARM简称高级精简指令集（Advanced RISC Machine），它是一个32位的精简指令集架构。由于节能的特点，ARM处理器非常适合行动通信领域，符合其低功耗的主要设计目标。

ARM家族占所有32位嵌入式处理器的75%，使其成为世界上最大的32位架构之一。ARM从许多消费电子产品中可以看到处理器（PDA、从手机、多媒体播放器、手持电子游戏、计算机)到计算机外设(硬盘、桌面路由器)，甚至导弹弹载计算机等军用设施。这里还有一些基础ARM衍生产品的设计，重要产品也包括Marvell的XScale德州仪器的仪器OMAP系列。

ARM处理器的特点是： -体积小，功耗低，成本低，性能高——ARM嵌入式系统中广泛使用的最重要原因；支持Thumb（16位）/ARM(32位)双指令集，可与8位/16位器件兼容；大量使用寄存器，指令执行速度更快；器中完成了大部分数据操作；搜索方法灵活简单，执行效率高；指令长度固定；Load_store结构：在RISC在寄存器中完成所有计算。寄存器和内存之间的通信是由单独的指令完成的CSIC中，CPU可直接操作内存。寄存器和内存之间的通信是由单独的指令完成的CSIC中，CPU内存可以直接操作。流水线处理方法

目前，ARM 公司本身并不依赖自己的设计来制造或销售 CPU ，相反，将处理器架构授权给感兴趣的制造商，如TI (德州仪器)，Samsung（三星）、Freescale(飞思卡尔)，Marvell(马维尔)，Nvidia(英伟达)。ARM 提供各种授权条款，包括价格和传播项目。对于授权方来说，ARM 提供了 ARM 内核的集成硬件描述包括完整的软件开发工具(编译器，debugger、SDK），以及内容 ARM CPU 销售硅芯片的权利。对于无晶圆厂的授权人来说，它希望能够 ARM 内核集成到自己开发的芯片设计中，通常只针对获得生产就绪的智能金融核心技术（IP Core）认证。对这些客户来说，ARM 所选的将被释放 ARM 通过抽象模拟模型和测试程序，协助设计集成和验证核心闸极电路图。需要更多的客户，包括集成元件制造商（IDM）和晶圆厂家，选择合成的RTL(临时存器转移级别，如 Verilog）获取处理器智能财权的形式（IP）。

可集成 RTL，客户有能力优化和加强架构。这样，设计师就可以在不受更改电路图限制的情况下实现额外的设计目标(如高振荡频率、低能耗、指令集延伸等。虽然 ARM 不授权授权方再次出售 ARM 结构本身，但授权方可以随意销售产品（如芯片元件、评估板、完整系统等）。商业晶圆厂是一个特殊的例子，因为它们不仅被授予出售，还包括 ARM 对于其他客户来说，内核硅晶成品通常保留重制 ARM 核心的权利。

2.2 x86/Atom

x86或80x86是英代尔Intel一种微处理器系统结构的泛称，首先开发制造。x86架构是重要的可变指令长度CISC(复杂指令集电脑，Complex Instruction Set Computer）。

Intel Atom(中文:凌动，开发代号:Silverthorne）是Intel的一个超低电压处理器系列。处理器采用45纳米工艺制造，集成4700万个晶体管。L2缓存为512KB，支持SSE3指令集，和VT虚拟化技术(部分型号)。

Atom处理器系列有6种型号，都属于Z500系列。它们分别是Z500、Z510、Z520、Z530、Z540和Z550。最低端的Z500内核频率是800MHz，FSB则是400MHz。而最高速的Z550，内核频率为2.0GHz，FSB则是533MHz。从Z从520开始，所有处理器都支持超线程技术，但耗电量只增加了不到10%。双核版为N系列，仍采用945GC芯片组。双核版本仍然支持超线程技术，因此系统显示四个逻辑处理器。这个版本的两个内核不是本地设计的，只是简单的封装两个单内核。

2.3 MIPS

MIPS是世界上非常流行的一种RISC处理器。MIPS意思是无内部互锁流水级微处理器(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制是尽量使用软件来避免流水线中的数据问题。它最早是80年代初的斯坦福(Stanford)大学Hennessy由教授领导的研究小组开发。MIPS在此基础上开发了公司R系列RISC工业产品的微处理器。许多计算机公司使用这些系列产品来构成各种工作站和计算机系统。

MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司，采用精简指令系统计算结构(RISC)设计芯片。英特尔使用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比，RISC它具有设计更简单、设计周期更短等优点，可以应用更先进的技术开发更快的下一代处理器。MIPS是最早的业务RISC新的架构集成了所有原始的架构芯片之一MIPS指令集增加了许多更强大的功能。MIPS自己只进行CPU将设计方案授权给客户，使客户能够创造高性能CPU。

2.4 RISC-V

RISC-V基于精简指令的集合（RISC）开源指令集架构原则（ISA）。V表示为第五代RISC.与大多数指令集相比，RISC-V任何人都可以自由设计、制造和销售指令集RISC-V芯片和软件。RISC-V被认为是继x86、ARM第三大之后CPU架构。

RISC-V包括三大优势： - 模块化：RISC-V以模块化的方式组织不同的部分，这种模块化是x86与ARM没有架构。 - 指令数目少：受益于短小精悍的架构以及模块化的特性，RISC-V结构的指令数量非常简单。 - RISC-V全面开源，且具有全套开源免费的编译器、开发工具和软件开发环境，大大降低指令集修改的门槛。

RISC-V作为新兴架构，以其精简的体量，未来的IoT在物联网领域获得绝对优势。IoT碎片化需求，IoT芯片设计速度快，成本低，能量定制。同时，嵌入式市场具有少量多样的特点，在每个细分应用场景中都没有形成真正的壁垒，架构的选择也多种多样。成就了上述原因RISC-V突破口极佳。RISC-V开源可以降低成本，也可以让用户自由修改，可以定制，RISC-V生态与敏捷设计同源。 目前，国内外许多芯片企业在研发上投入了大量资金RISC-V在IoT该领域的应用。2015年，RISC-V正式成立的基金会吸引了包括英伟达在内的英伟达NXP、三星、Microsemi加入内部企业。到目前为止，该基金会已经吸引了全球28个国家327多名会员。目前，阿里巴巴和亚马逊都开发了相关的芯片，甚至苹果A4/A5、AMD速龙/Zen架构之父JimKeller也创业投身RISC-V。

三、架构

我们常说的是单核、双核、四核、主频等概念CPU一些属性。我们知道，CPU核心是基本组成单元（core）。如果没有顺序，多个核心可以同时执行多个计算任务。

核心的实现被称为微架构（microarchitecture）。微架构的设计影响核心能达到的最高频率、核心能在一定频率下执行的计算量、核心能耗水平等。此外，执行各种程序的执行各种程序有不同的偏见。例如，90年代末期Intel的P6微架构在浮点类程序上表现出色，但在整数类应用中不如同频对手。

常见代号如Haswell、Cortex-A15是微架构的称号。注意微架构和指令集是两个概念:指令集是CPU具体实现了选定的语言和微架构。i7-4770的核心是Haswell这种微架构与微架构兼容x86指令集。

对于兼容ARM这两个概念芯片来说，这两个概念特别容易混淆：ARM公司称自己开发的指令集为ARM同时，它还开发了特定的微架构，如指令集Cortex并授权系列。但是，一款CPU使用了ARM指令集不等于它使用了ARM微架构的研发。Intel、高通，苹果，Nvidia制造商自行开发兼容性ARM同时，许多制造商使用指令集的微架构ARM制造开发的微架构CPU。一般来说，业界认为，只有具有独立微架构研发能力的企业才有CPU研发能力，是否使用自己的研发指令集并不重要。研发微架构也是如此IT工业技术含量最高的领域之一。

3.1 ARM架构

ARM CPU家族主要包括以下系列，其中三个需要记住，即Cortex-A系列、Cortex-R系列和Cortex-M系列。

• Cortex-A系列：主要是面向应用的处理器。Cortex-A该系列包含指令集架构和浮点数运算指令集架构，并支持单指令多数据流高性能计算指令，Cortex-A系列是ARM家庭中最丰富的指令集。Cortex-A该系列广泛应用于手机开发领域。ARMv7-A指令集32位Cortex-A架构，ARMv8-A是对ARMv7-A现在使用的扩展ARM架构的手机大多使用64位ARMv8-A架构，如Cortex-A57、Cortex-A53和新发布的Corex-A76架构。同时，ARM公司也在不断地扩展ARMv8-A指令架构，先后发布了ARMv8.1、ARMv8.2、ARMv8.4和ARMv8.5。Android手机场景多应用了Cortex-A系列，我们Android开发里面的armv7a的a就是代表了Cortex的a系列。
• Cortex-R系列：是ARM家族中体积最小的处理器。Cortex-R系列处理器主要用于对实时性要求较高的硬件平台，比如硬盘、各类控制器等。Cortex-R系列处理器支持ARM、Thumb和Thumb-2指令集。
• Cortex-M系列：主要是针对超低功耗和核心最小面积进行设计的，所以目前Cortex-M系列的实时操作系统RTOS仅支持32位Thumb的指令集。ARM Cortex-M系列使用Thumb-2指令集，这样可以减少一定的指令代码量，从而减少内存需求，进而就可以更加高效地利用缓存。并且，Thumb-2指令集兼容16位的Thumb指令。
• 早期处理器SecurCore系列：它们是提供安全解决方案的架构。SecurCore架构是一个针对安全的解决方案，早期处理器SecurCore被用在少量单片机中。

3.2 主流CPU供应商及应用手机

在手机端我们重点关注高通、苹果、联发科、华为、三星几家公司设计的芯片，因为它们设计的ARM芯片架构已经可以覆盖主流机型。

高通

高通主要的骁龙系列，目前8XX系列属于高端的骁龙系列，6XX系列定位于中端市场。不过高中端市场也会有交叉，并不是绝对的。骁龙芯片被大量流行手机搭载，包括vivo、OPPO、小米等品牌手机。

骁龙 888基于三星5nm 工艺制成 ， CPU 采用 1 x 2.84GHz (ARM最新 Cortex X1 核心)+3 x 2.4GHz (Cortex A78)+4 x 1.8GHz (Cortex A55)，GPU 为 Adreno 660，采用 X60 5G modem 基带，支持 WiFi 6E、Bluetooth 5.2。下面是骁龙888的架构图。

市面上我们看到的小米11 Pro，魅族18 Pro/魅族18等就是用了骁龙888， 而魅族17 Pro使用的是骁龙865。

联发科（MTK）

中国的芯片研发公司，以中低端芯片为主。联发科的芯片设计业务已经深度布局家庭娱乐、手机平板和IoT、便携式电子产品等多个领域。我们熟知的索尼，TCL、海尔等电视都有使用联发科芯片；同时它的芯片方案被亚马逊、Google、阿里等国内外一线品牌采用，这三家在智能音箱业务上占据了全球销量前三的位置，市场占有率高达70%以上，天猫精灵搭载的就是联发科的芯片。

三星

旗下业务众多，芯片只是其中一项，手机也是其重要业务之一，从零部件如芯片、屏幕、存储、电池等，到手机整机都可以制作。Exynos8895是三星发布的一款偏高端的芯片，它的中端芯片有Exynos7870等。三星芯片在中国移动互联网市场的占比较少。国内市场三星手机大部分并不是使用的三星芯片，而是高通。

苹果

苹果手机中的芯片也都是ARM架构的，目前苹果公司已经有了很强的芯片设计能力。苹果A系列的CPU频率并不是很高。苹果的芯片是自产自销的，芯片架构会直接应用在自家的苹果手机上，所以更加注重性能的提升，而对芯片成本的考量相对少一些，使用了大的芯片面积来换取高性能和低功耗，这一点和大部分同行业公司有显著差别。在苹果A10处理器上，流水线技术使用了六发射，可以同时对六条流水线进行处理，同时A10片上缓存达到了2MB。通过A10可以看到，苹果公司的芯片架构成本比其他公司的更高，综合性能也非常好。从Geekbench跑分也可以看到苹果芯片的性能优势，A10的性能比ARM 73标准架构的性能高75%以上。

今年苹果新推出的M1 Pro与M1 Max，M1Pro款芯片内存带宽最高可以达到200 GB每秒，支持32 GB内存。材料是五纳米工艺具有337根晶体管，具有10个核心的中央处理器，处理速度与上一个芯片相比的话，速度更是提高了70%左右。

华为海思

1991年，华为成立了自己的ASIC设计中心，专门负责设计「专用集成电路」（Application-specific integrated circuit，ASIC）。当时的华为，创立仅仅四年，员工只有几十人，资金非常紧张，一度濒临倒闭的边缘。奠定基业的C&C08数字程控交换机，还是三年后的事情。

随后的1993年，ASIC设计中心成功研发出华为第一块数字ASIC。并在1996年、2000年、2003年，研发成功十万门级、百万门级、千万门级ASIC。总的来说，每一步都算是沉稳有力。时间到了2004年10月，这时的华为，实力已今非昔比，销售额达到462亿人民币，员工人数也达到数万人。有了一定底气的华为，在ASIC设计中心的基础上，成立了深圳市海思半导体有限公司，也就是我们现在经常说的——【华为海思】。

华为手机端的麒麟芯片是不对外销售的，所以截至2019年5月，市面上可体验到华为芯片性能的设备只有华为手机。华为的芯片设计能力的提升速度可谓有目共睹。从麒麟970开始，华为将高性能的专用神经网络芯片NPU带进了SoC。

四、芯片

4.1 什么是芯片

说到芯片，别人经常会问我们一个问题：麒麟芯片是国产吗？。

要回答这个问题，我们必须先搞清楚芯片半导体生产过程。半导体芯片生产主要分为 IC（Integrated Circuit 集成电路） 设计、 IC 制造、 IC 封测三大环节以及设计、晶圆制造、EDA工具、芯片原材料、封装、测试、设备七大板块，如下图。

- IC 设计主要根据芯片的设计目的进行逻辑设计和规则制定，并根据设计图制作掩模以供后续光刻步骤使用。 - IC 制造实现芯片电路图从掩模上转移至硅片上，并实现预定的芯片功能，包括光刻、刻蚀、离子注入、薄膜沉积、化学机械研磨等步骤。 - IC 封测完成对芯片的封装和性能、功能测试，是产品交付前的最后工序。

芯片制作是一个复杂过程，如果单从真个链路上讲，麒麟只是其中的一环，芯片自然谈不上纯国产，如果从某一个环节的来讲，自己设计是有自己东西的。

麒麟主要是基于ARM的RISC架构进行SOC的开发，所谓SOC就如联想设计电脑，就是把一些功能芯片整合在一起，包括CPU、GPU、闪存、基带等等。而要将这些核芯整合在一起，本身就需要非常强大的设计能力。

如上图所示的华为麒麟960来说，黄色部分是华为不能设计的核芯。对于麒麟985华为已经能自研GPU了。在SOC大构架下，这种设计能力，很多公司能在短时间内得以提升，真正考验芯片设计能力的是核芯层次的微架构设计。在芯片设计方面，华为和龙芯算是国内的佼佼者。

4.2 芯片的制作

1， 芯片设计

芯片行业的设计领域，指的是规格制定、架构设计到tape－out的所有流程。芯片在晶圆厂生产之前的所有流程都属于设计领域。

• 仅从事芯片设计，没有其他生产、封装、测试业务的公司称之为fabless或者design house（国内的华为海思、紫光展锐、中兴微电子、比特大陆、寒武纪、汇顶科技、全志，美国的高通、博通等）。
• 既有芯片业务，又有芯片晶圆制造业务的公司，称为IDM（Integrated Device Manufacture），国内的士兰微，美国的英特尔，韩国的三星、海力士，意大利的意法半导体等。

2，晶圆制造

在芯片行业，把仅从事晶圆制造的企业称之为Foundry（专门负责生产、制造芯片的厂家）。把单晶硅圆柱切片，就得到了圆形的硅片，因此就叫“晶圆”。

晶圆加工的大概流程如下：

1. 首先在晶圆上涂一层感光材料，这材料见光就融化，这里就用到了我们常听到的光刻机，它可以用非常精细的光线，在感光材料上刻出图案，让底下的晶圆裸露出来。
2. 然后，用等离子体这类东西冲刷，裸露的晶圆就会被刻出很多沟槽，这套设备就叫刻蚀机。
3. 再用离子注入机在沟槽里掺入磷元素，加热退火处理，就得到了一堆N型半导体；用离子注入机撒上硼，就有了P型半导体。

上图晶圆上的小方块就是芯片，一块晶圆可以做多个芯片。芯片放大了看就是成堆成堆的电路。

3. EDA工具

EDA是Electronic design automation（电子设计自动化）的英文简称。EDA工具是指利用计算机辅助设计软件，来完成超大规模集成电路芯片的功能设计、综合、验证、物理设计等流程的设计方式。在芯片行业，把提供EDA工具的企业称之为EDA设计服务供应商。

目前EDA工具厂商的三巨头——cadence、synopsys、mentor公司垄断了绝大多数市场份额，其他EDA厂商很多都是在三巨头的阴影之下，夹缝之中求生存。

4. 芯片原材料

芯片生产需要大量的原材料，比如硅晶圆、光刻胶光刻胶等，其中需求量最大的当属硅晶圆，硅晶圆在芯片制造材料中占比最高，达到37%。而硅晶圆的主要原材料是硅，硅的主要评判指标是纯度，如果硅原子之间有一堆杂质，那电子就很难在满轨道和空轨道之间跑顺畅。而纯度越高制造难度越大。用于太阳能发电的高纯硅要求99.9999%，这玩意儿全世界超过一半是中国产的，早被玩成了白菜价。芯片用的电子级高纯硅要求99.999999999%(别数了，11个9)，几乎全赖进口，直到2018年江苏的鑫华公司才实现量产。

5. 封装

芯片封装，简单点来讲就是把Foundry生产出来的集成电路裸片放到一块起承载作用的基板上，再把管脚引出来，然后固定包装成为一个整体。

6. 测试

测试的话包括CP测试、FT测试等等，包括了芯片的功能测试、可靠性测试、老化测试等等。芯片行业技术难度最低的就是封装和测试，这部分国内和国外已经没有太大差距。

7. 设备

芯片行业的设备主要有晶圆制造过程中需要使用的光刻机、蚀刻机，测试过程中需要使用的ATE测试基台。阿斯麦是全球唯一的高端光刻机生产商，每台售价至少1亿美金，而且产量还不高，无论是台积电、三星，还是英特尔，谁先买到阿斯麦的光刻机，谁就能率先具备7nm工艺。

中国的刻蚀机比光刻机要好很多，16nm刻蚀机已经量产运行，7-10nm刻蚀机也在路上了，所以美国在刻蚀机上没有做太多限制。离子注入机又比较差了，70%的市场份额是美国应用材料公司的，2017年8月终于有了第一台国产商用机，水平不做评价。

涂感光材料得用“涂胶显影机”，日本东京电子公司拿走了90%的市场份额。即便是光刻胶这些辅助材料，也几乎被日本信越、美国陶氏等垄断。