Android开发者需要了解的芯片知识

Posted 2021-12-23 xiangzhihong8

作为 android 开发者，在平时的开发中，免不了要处理 arm、armv7a、armv8a、x86 等架构适配，那什么是芯片架构，armv7a中的a指什么。今天，抱着以下问题，让我们撩开手机开发中芯片的一些理论知识。

一、CPU

接触过计算机的朋友们都知道CPU的含义，就是中央处理器，是负责计算机主要运算任务的组件。一般我们把CPU比喻为人的大脑。而了解略深的用户会听说CPU有x86、ARM等分类，前者主要用于PC等大型设备，而后者主要用于手机平板等小型设备。

那么这里的x86、ARM指的是什么呢？x86、ARM指的是芯片的设计架构，除此之外，还有一种MIPS也比较出名。

二、指令集

CPU执行计算任务时都需要遵从一定的规范，程序在被执行前都需要先翻译为CPU可以理解的语言。这种规范或语言就是指令集（ISA，Instruction Set Architecture）。程序被按照某种指令集的规范翻译为CPU可识别的底层代码的过程叫做编译（compile）。x86、ARM v8、MIPS都是指令集的代号。指令集可以被扩展，如x86增加64位支持就有了x86-64。厂商开发兼容某种指令集的CPU需要指令集专利持有者授权，典型例子如Intel授权AMD，使后者可以开发兼容x86指令集的CPU。

和人来的语言类似，语言可以有很多个，但是主流的却只有那么几个。下面，我们介绍一下ARM、x86、MIPS、PowerPC、RISC-V等主流的几个指令集。

2.1 ARM

ARM是高级精简指令集的简称（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处理器非常适用于行动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。

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。

ARM处理器的特点是：

• 体积小、低功耗、低成本、高性能——ARM被广泛应用在嵌入式系统中的最重要的原因
• 支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件
• 大量使用寄存器，指令执行速度更快
• 大多数数据操作都在寄存器中完成
• 寻址方式灵活简单，执行效率高
• 指令长度固定
• Load_store结构：在RISC中，所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则- - 由单独的指令来完成，而在CSIC中，CPU是可以直接对内存进行操作的。
• 流水线处理方式

目前，ARM 公司本身并不靠自有的设计来制造或出售 CPU ，而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家，比如TI （德州仪器）、Samsung（三星）、Freescale（飞思卡尔）、Marvell（马维尔）、Nvidia（英伟达）。ARM 提供了多样的授权条款，包括售价与散播性等项目。对于授权方来说，ARM 提供了 ARM 内核的整合硬件叙述，包含完整的软件开发工具（编译器、debugger、SDK），以及针对内含 ARM CPU 硅芯片的销售权。对于无晶圆厂的授权方来说，其希望能将 ARM 内核整合到他们自行研发的芯片设计中，通常就仅针对取得一份生产就绪的智财核心技术（IP Core）认证。对这些客户来说，ARM 会释出所选的 ARM 核心的闸极电路图，连同抽象模拟模型和测试程式，以协助设计整合和验证。需求更多的客户，包括整合元件制造商（IDM）和晶圆厂家，就选择可合成的RTL（暂存器转移层级，如 Verilog）形式来取得处理器的智财权（IP）。

借着可整合的 RTL，客户就有能力能进行架构上的最佳化与加强。这个方式能让设计者完成额外的设计目标（如高震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等）而不会受限于无法更动的电路图。虽然 ARM 并不授予授权方再次出售 ARM 架构本身，但授权方可以任意地出售制品（如芯片元件、评估板、完整系统等）。商用晶圆厂是特殊例子，因为他们不仅授予能出售包含 ARM 内核的硅晶成品，对其它客户来讲，他们通常也保留重制 ARM 内核的权利。

2.2 x86/Atom

x86或80x86是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。x86架构是重要地可变指令长度的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（部份型号）。

Atom处理器系列有6个型号，全部都是属于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，内核频率则有2.0GHz，FSB则是533MHz。从Z520开始，所有的处理器都支持超线程技术，但只增加了不到10%的耗电。双内核版本为N系列，依然采用945GC芯片组。双内核版本仍会支持超线程技术，所以系统会显示出有4个逻辑处理器。这个版本的两个内核并非采用本地设计，只是简单的将两个单内核封装起来。

2.3 MIPS

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用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，它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比，RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一，新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并增加了许多更强大的功能。MIPS自己只进行CPU的设计，之后把设计方案授权给客户，使得客户能够制造出高性能的CPU。

2.4 RISC-V

RISC-V是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA）。V表示为第五代RISC.与大多数指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。RISC-V被认为是继x86、ARM之后的第三大CPU架构。

RISC-V包括三大优势：

• 模块化：RISC-V将不同的部分以模块化的方式组织在一起，这种模块化是x86与ARM架构所不具备的。
• 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架构的指令数目非常的简洁。
• 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（物联网）领域中能取得绝对的优势。IoT的“碎片化”需求，IoT芯片设计速度要快、成本要低、能量身定制。同时嵌入式市场具备少量多样的特点，在各细分应用场景并未形成真正壁垒，架构的选择五花八门。以上原因成就了RISC-V绝佳的突破口。RISC-V的开源能降低成本，也能让用户自由修改，可定制化，RISC-V生态与敏捷设计同源。
目前，国内外已有多家芯片企业投入大量资金研发RISC-V在IoT领域的应用。2015年，RISC-V基金会正式成立，吸引了包括英伟达、NXP、三星、Microsemi在内等企业的加入。迄今为止，该基金会已吸引了全球28个国家327多家会员加入。目前，阿里、亚马逊等都有相关芯片研制出，甚至就连苹果A4/A5、AMD速龙/Zen架构之父JimKeller也创业投身RISC-V。

三、架构

我们经常说的单核、双核、四核，以及主频等概念，说的都是CPU的一些属性。我们知道，CPU的基本组成单元即为核心（core）。多个核心可以同时执行多件计算任务，前提是这些任务没有先后顺序。

核心的实现方式被称为微架构（microarchitecture）。微架构的设计影响核心可以达到的最高频率、核心在一定频率下能执行的运算量、一定工艺水平下核心的能耗水平等等。此外，不同微架构执行各类程序的偏向也不同。例如，90年代末期Intel的P6微架构就在浮点类程序上表现优异，但在整数类应用中不如同频下的对手。

常见的代号如Haswell、Cortex-A15等都是微架构的称号。注意微架构与指令集是两个概念：指令集是CPU选择的语言，而微架构是具体的实现。i7-4770的核心是Haswell微架构，这种微架构兼容x86指令集。

对于兼容ARM指令集的芯片来说这两个概念尤其容易混淆：ARM公司将自己研发的指令集叫做ARM指令集，同时它还研发具体的微架构如Cortex系列并对外授权。但是，一款CPU使用了ARM指令集不等于它就使用了ARM研发的微架构。Intel、高通、苹果、Nvidia等厂商都自行开发了兼容ARM指令集的微架构，同时还有许多厂商使用ARM开发的微架构来制造CPU。通常，业界认为只有具备独立的微架构研发能力的企业才算具备了CPU研发能力，而是否使用自行研发的指令集无关紧要。微架构的研发也是IT产业技术含量最高的领域之一。

3.1 ARM架构

ARM CPU家族主要包括如下系列，其中需要记住的有三个，分别是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系列含有整数运算的指令集架构和浮点数运算的指令集架构，并且支持单指令多数据流高性能计算指令，Cortex-A系列是ARM家族中最丰富的指令集。Cortex-A系列在手机端开发领域被广泛使用。ARMv7-A是指令集为32位的Cortex-A架构，ARMv8-A是对ARMv7-A的扩充，现在使用ARM架构的手机大多使用的是64位的ARMv8-A架构，如Cortex-A57、Cortex-A53以及新发布的Cortex-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。