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CPU架构那点事篇三：ARM架构的那些事儿，你一定想知道！

ARM 架构是一种精简指令集计算（RISC）架构，它以低功耗、高性能和灵活性而闻名，广泛应用于智能手机、平板电脑、物联网设备、嵌入式系统等领域。ARM 架构的起源可以追溯到 1980 年代初，当时一家英国小公司为了满足 BBC 的教育计划而设计了一款创新的计算机。这家公司就是 Acorn Computers，它后来成立了 ARM 公司，并与苹果、VLSI 等公司合作，推出了多代 ARM 处理器和架构，逐渐成为全球最大的处理器 IP 供应商之一。

Acorn Computers 的创立和 BBC Micro 的诞生

Acorn Computers公司最初是由两位剑桥大学毕业生Hermann Hauser和Chris Curry于1978年创立的。他们最初专注于开发水果机（老虎机）的计算机系统。水果机是一种赌博游戏机，需要使用硬币或代币来启动，并通过转动三个或更多带有水果图案或其他符号的轮盘来产生随机结果。如果轮盘停止时出现某种组合，玩家就可以获得相应的奖金或积分。水果机是当时英国非常流行的娱乐设备，也是计算机技术的一个应用领域。Hauser和Curry利用他们在剑桥大学学习的电子工程和计算机科学的知识，设计了一种基于MOS Technology 6502处理器的水果机计算机系统，该系统可以控制水果机的运行，并提供各种声音和图形效果。

Hermann Hauser和Chris Curry

1979年，Hauser和Curry将他们的水果机计算机系统改造成为一款面向爱好者的个人计算机，命名为Atom。Atom是Acorn Computers公司的第一款成功的产品，它具有12KB的RAM、4KB的ROM、一个BASIC解释器、一个键盘和一个视频输出接口，可以连接到电视机上显示图形和文字。Atom是一款功能强大且价格合理的微型计算机，它吸引了许多对计算机感兴趣的人士，包括学生、教师、工程师和科学家。Atom也为Acorn Computers公司奠定了在英国计算机市场的地位，为其后续的产品开发提供了基础。

Acorn Atom

1981 年，BBC 开始了一个名为“计算机素养项目”的教育计划，旨在提高英国公众对计算机的认识和使用。BBC 计划制作一系列电视节目来介绍计算机的基本概念和编程技巧，并且希望配合节目推出一款专用的计算机，供观众购买和学习。BBC 向英国的计算机厂商发出了招标邀请，要求提供一款具有以下特点的计算机：

基于 6502 处理器或兼容处理器
具有至少 16 KB 的 RAM 和 32 KB 的 ROM
具有 BASIC 编程语言和汇编语言
具有图形和声音功能
具有扩展接口和外设
具有网络连接能力
具有语音合成能力
具有人工智能能力

当时英国最大的计算机厂商 Sinclair 拒绝了 BBC 的邀请，认为 BBC 的要求过于苛刻和昂贵。其他一些厂商也因为时间紧迫或技术不足而放弃了竞标。只有 Acorn Computers 接受了挑战，并开始了为期一个月的紧张开发。

Acorn 的工程师们利用 Atom 的基础设计，加入了新的功能和改进，创建了一款名为 Proton 的原型机。Proton 拥有以下特点：

基于 6502 处理器或兼容处理器
具有 32 KB 的 RAM 和 32 KB 的 ROM
具有高级 BASIC 编程语言（Acorn BASIC）和汇编语言
具有高分辨率的彩色图形和立体声声音
具有多种扩展接口和外设，包括打印机、磁盘驱动器、调制解调器、鼠标、轻笔等
具有一个名为 Tube 的接口，可以连接其他的处理器，如 Z80、6809、32016 等
具有一个名为 Econet 的网络系统，可以连接多台计算机
具有一个名为 Teletext 的系统，可以接收和显示电视信号中的文字信息
具有一个名为 Speech 的系统，可以合成和识别人类语音

Acorn 的工程师们在开发过程中遇到了很多困难和挑战，比如要在短时间内设计和制造新的芯片、要解决电路板上的故障和干扰、要优化软件的性能和兼容性等。他们甚至发现了一种奇怪的现象，就是只有当他们用手指触摸电路板上的某个点时，机器才能正常启动。他们后来用一个电阻器来模拟手指的效果，解决了这个问题。

1981 年 4 月，Acorn 的工程师们将 Proton 原型机带到了 BBC 的总部进行演示。BBC 的评审团对 Proton 的表现非常满意，认为它完全符合他们的要求，甚至超出了他们的期望。BBC 随即决定与 Acorn 签订合同，将 Proton 作为 BBC 计划的官方计算机，并命名为 BBC Micro。BBC 还要求 Acorn 提供两个版本的 BBC Micro，一个是标准版（Model A），具有 16 KB 的 RAM 和价格为 299 英镑；另一个是高级版（Model B），具有 32 KB 的 RAM 和价格为 399 英镑。

BBC Micro

BBC Micro 在 1981 年 12 月正式上市，并在英国引起了轰动。BBC Micro 不仅在学校和家庭中广受欢迎，也被用于商业和工业领域。BBC Micro 还成为了许多后来成为著名程序员、设计师和企业家的启蒙计算机，比如 Tim Berners-Lee（万维网之父）、David Braben（《精英》游戏的创作者）、Eben Upton（树莓派之父）等。BBC Micro 在英国共售出了约 150 万台，为 Acorn 带来了巨大的成功和利润。

Acorn Archimedes 和 ARM 处理器的诞生

Acorn 在享受 BBC Micro 成功带来的红利的同时，也没有停止对新技术的探索和开发。Acorn 注意到了当时正在兴起的图形用户界面（GUI）和个人计算机（PC）两大趋势，并决定开发一款能够与之竞争的新一代计算机。这款计算机就是 Acorn Archimedes，它于 1987 年发布，并成为了世界上第一款搭载 ARM 处理器的商用计算机。

Acorn Archimedes 440

ARM 处理器是 Acorn 为了满足 Archimedes 的性能需求而自主设计的一款精简指令集计算（RISC）处理器。RISC 处理器相对于当时主流的复杂指令集计算（CISC）处理器，具有更少但更快速的指令集、更简单但更高效的硬件结构、更低的功耗和成本等优势。Acorn 在设计 ARM 处理器时参考了 MOS Technology 6502 处理器的设计思想，以及当时最先进的 RISC 理论和实践。Acorn 的工程师们在 1983 年开始了 ARM 处理器的研发工作，并在 1985 年完成了第一代 ARM 处理器（ARM1）的原型。ARM1 是一款 32 位的 RISC 处理器，具有 25,000 个晶体管、16 个寄存器、37 条指令、6 MHz 的时钟频率、4 MIPS 的性能和 1 瓦特的功耗。ARM1 主要用于测试和验证 ARM 架构的可行性，没有被用于任何商业产品。

1986 年，Acorn 完成了第二代 ARM 处理器（ARM2）的开发，这是一款真正意义上的商用处理器。ARM2 基于 ARM1 的设计，进行了一些改进和扩展，比如增加了乘法指令、增加了中断控制器、增加了内存管理单元等。ARM2 具有 30,000 个晶体管、16 个寄存器、39 条指令、8 MHz 的时钟频率、8 MIPS 的性能和 0.5 瓦特的功耗。ARM2 成为了 Archimedes 计算机的核心处理器，并且被用于其他一些产品，如 Acorn Risc PC、Acorn A4 笔记本电脑等。

1987 年，Acorn 发布了 Archimedes 计算机，这是一款具有革命性意义的产品，它不仅是世界上第一款搭载 ARM 处理器的商用计算机，也是世界上第一款采用图形用户界面（GUI）和鼠标操作的 RISC 计算机。Archimedes 计算机具有以下特点：

基于 ARM2 处理器或兼容处理器
具有最多 4 MB 的 RAM 和最多 512 KB 的 ROM
具有一个名为 Arthur 的操作系统，后来被改进为 RISC OS
具有一个名为 Acorn Desktop Interface（ADI）的图形用户界面
具有一个名为 Acorn Replay 的多媒体系统，可以播放音频和视频
具有一个名为 Acorn Archimedes BASIC（AAB）的编程语言，是 Acorn BASIC 的扩展版本
具有多种扩展接口和外设，包括键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘驱动器、调制解调器、网络适配器等

Archimedes 计算机在发布时引起了业界和媒体的广泛关注和赞誉，被认为是当时最先进和最快速的个人计算机之一。Archimedes 计算机在性能上远超过了当时的 PC 和 Macintosh 计算机，并且在图形和声音方面也表现出色。Archimedes 计算机在教育、科研、游戏等领域都有着广泛的应用，并且影响了后来许多其他计算机和处理器的设计。

Acorn 和苹果的合作和 ARM 公司的成立

Acorn 在开发 ARM 处理器和 Archimedes 计算机的过程中，得到了一家美国公司的重要支持和合作，这家公司就是苹果。苹果是当时最大的个人计算机厂商之一，也是图形用户界面（GUI）和鼠标操作的先驱。苹果在 1984 年推出了 Macintosh 计算机，这是一款具有划时代意义的产品，它采用了 68000 处理器、9 英寸的黑白显示器、3.5 英寸的软盘驱动器、128 KB 的 RAM 和 64 KB 的 ROM，以及一个名为 Mac OS 的操作系统和一个名为 Macintosh Finder 的图形用户界面。Macintosh 计算机在发布时引起了轰动，被认为是个人计算机的未来。

然而，Macintosh 计算机也面临了很多问题和挑战，比如价格过高、性能不足、扩展性差、软件缺乏等。苹果为了解决这些问题，开始了一系列的研发和改进工作，其中最重要的一个项目就是名为 Newton 的个人数字助理（PDA）。Newton 是一款手持式的计算机设备，它具有触摸屏、手写识别、语音合成、无线通信等功能，可以用于日程管理、通讯录、记事本、电子邮件等应用。Newton 是苹果对未来计算机的愿景和尝试，也是世界上第一款 PDA 设备。

苹果在开发 Newton 时，需要一款符合以下要求的处理器：

具有高性能和低功耗
具有精简指令集和易于编程
具有灵活的扩展性和兼容性

苹果在调查了市场上的各种处理器后，发现没有一款能够完全满足他们的需求。苹果最初考虑使用 68000 处理器或其兼容处理器，但发现它们的功耗太高、性能不足；苹果后来考虑使用 MIPS 或 SPARC 等 RISC 处理器，但发现它们的成本太高、扩展性不足。苹果在无法找到合适的处理器时，偶然得知了 Acorn 的 ARM 处理器，并对其产生了浓厚的兴趣。

苹果在 1987 年派出了一支代表团访问了 Acorn 的总部，并对 ARM 处理器进行了详细的测试和评估。苹果对 ARM 处理器的性能和功耗感到惊讶和满意，并认为它是 Newton 的理想选择。苹果随即与 Acorn 展开了合作谈判，并提出了以下几点要求：

苹果要求 Acorn 提供 ARM 处理器的专利许可和技术支持
苹果要求 Acorn 开发一款专门为 Newton 设计的 ARM 处理器（ARM3）
苹果要求 Acorn 允许苹果参与 ARM 架构的设计和改进
苹果要求 Acorn 与苹果共同成立一家新公司来管理和推广 ARM 架构

Acorn 对苹果的要求表示了同意，并与苹果签订了合作协议。Acorn 和苹果还邀请了另一家美国公司 VLSI Technology 加入他们的合作，VLSI Technology 是当时最大的半导体制造商之一，也是 Acorn 的长期合作伙伴。VLSI Technology 负责为 ARM 处理器提供制造和封装服务。

1988 年 11 月，Acorn、苹果和 VLSI Technology 共同成立了一家新公司，名为 Advanced RISC Machines Ltd.（ARM Ltd.），用于管理和推广 ARM 架构。ARM Ltd. 的总部设在英国剑桥，由 Acorn、苹果和 VLSI Technology 各持有 40%、40% 和 20% 的股份。ARM Ltd. 的首席执行官是 Acorn 的 Roger Wilson，首席技术官是 Acorn 的 Steve Furber，首席运营官是 VLSI Technology 的 Robin Saxby。ARM Ltd. 的主要业务模式是向其他公司提供 ARM 处理器的专利许可和技术支持，而不直接生产和销售 ARM 处理器。这种业务模式使得 ARM Ltd. 能够专注于 ARM 架构的设计和改进，同时也能够与各种不同的合作伙伴和客户建立关系，扩大 ARM 架构的应用范围和市场份额。

1989 年，Acorn 和苹果分别发布了基于 ARM3 处理器的新产品。ARM3 是一款专门为 Newton 设计的 ARM 处理器，它基于 ARM2 的设计，进行了一些改进和扩展，比如增加了缓存、增加了时钟频率、增加了指令等。ARM3 具有 300,000 个晶体管、16 个寄存器、43 条指令、12 MHz 的时钟频率、12 MIPS 的性能和 0.3 瓦特的功耗。Acorn 将 ARM3 用于 Archimedes 计算机的升级版（Archimedes 300 和 Archimedes 400 系列），并且推出了一款名为 Acorn A5000 的新型计算机，它具有以下特点：

基于 ARM3 处理器或兼容处理器
具有最多 4 MB 的 RAM 和最多 2 MB 的 ROM
具有 RISC OS 2.0 操作系统和 Acorn Desktop Interface（ADI）图形用户界面
具有一个名为 VIDC1a 的视频控制器，可以支持最高分辨率为 1152x896 的彩色图形
具有一个名为 IOMD 的输入输出控制器，可以支持多种扩展接口和外设
具有一个名为 MEMC1a 的内存控制器，可以支持快速页面模式（FPM）内存
具有一个名为 ALU01 的算术逻辑单元，可以支持浮点运算

Acorn A5000

Acorn A5000 在发布时被认为是当时最快速的个人计算机之一，并且在图形和声音方面也表现出色。Acorn A5000 在教育、科研、游戏等领域都有着广泛的应用，并且成为了 Acorn 计算机的旗舰产品。

苹果则将 ARM3 用于 Newton PDA 设备的第一代产品（Newton MessagePad），并于 1993 年正式上市。

Newton MessagePad

Newton MessagePad 是一款具有以下特点的 PDA 设备：

基于 ARM3 处理器或兼容处理器
具有最多 4 MB 的 RAM 和最多 4 MB 的 ROM
具有一个名为 Newton OS 的操作系统和一个名为 Newton Toolkit 的开发工具
具有一个名为 NewtonScript 的编程语言和一个名为 Newton Intelligence 的人工智能引擎
具有一个名为 Inkwell 的手写识别系统和一个名为 PlainTalk 的语音合成系统
具有一个名为 Newton InterConnect 的扩展接口和一个名为 Newton Docking Protocol（NDP）的通信协议
具有一个名为 Newton Backup Utility（NBU）的备份工具和一个名为 Newton Connection Utilities（NCU）的管理工具
具有一个 320x240 的触摸屏、一个键盘、一个麦克风、一个扬声器、一个红外线端口、一个 PCMCIA 插槽等

Newton MessagePad 在发布时被认为是一款具有创新和前瞻性的产品，它展示了苹果对未来计算机的愿景和尝试。Newton MessagePad 在日程管理、通讯录、记事本、电子邮件等应用方面都有着出色的表现，并且引入了许多新的概念和功能，如手写识别、语音合成、无线通信等。Newton MessagePad 在商业和个人领域都有着广泛的用户和拥趸，并且影响了后来许多其他 PDA 和智能手机的设计。

ARM 架构的发展和普及

ARM Ltd. 在成立后，不断地对 ARM 架构进行了设计和改进，推出了多代 ARM 处理器和架构，逐渐成为了全球最大的处理器 IP 供应商之一。ARM Ltd. 的主要产品包括以下几类：

ARMv3 架构：这是 ARM 架构的第三代，于 1989 年发布，是第一代支持 32 位地址空间和虚拟内存的 ARM 架构。基于 ARMv3 架构的处理器包括 ARM6、ARM7 和 ARM8 等。
ARMv4 架构：这是 ARM 架构的第四代，于 1993 年发布，是第一代支持条件执行和缩略指令集（Thumb）的 ARM 架构。基于 ARMv4 架构的处理器包括 ARM7TDMI、ARM9TDMI 和 StrongARM 等。
ARMv5 架构：这是 ARM 架构的第五代，于 1999 年发布，是第一代支持增强型缩略指令集（Thumb-2）、数字信号处理（DSP）指令和 Java 加速器的 ARM 架构。基于 ARMv5 架构的处理器包括 ARM9E、ARM10E 和 XScale 等。
ARMv6 架构：这是 ARM 架构的第六代，于 2002 年发布，是第一代支持 SIMD 指令（Media）、无线 MMU（TrustZone）和硬件虚拟化（VE）的 ARM 架构。基于 ARMv6 架构的处理器包括 ARM11 和 Cortex-A8 等。
ARMv7 架构：这是 ARM 架构的第七代，于 2005 年发布，是第一代支持高级 SIMD 指令（NEON）、超标量执行和分支预测等技术的 ARM 架构。基于 ARMv7 架构的处理器包括 Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A9 和 Cortex-A15 等。
ARMv8 架构：这是 ARM 架构的第八代，于 2011 年发布，是第一代支持 64 位地址空间和指令集（AArch64）的 ARM 架构。基于 ARMv8 架构的处理器包括 Cortex-A53、Cortex-A57、Cortex-A72 和 Cortex-A73 等。 arm架构在2020年受到了全球芯片行业的关注，因为美国英伟达公司宣布以400亿美元的价格收购arm公司，引发了各方的担忧和反对。目前这笔交易还没有得到相关监管机构的批准，可能会面临很多障碍和挑战。
2021年发布了新一代指令集架构Armv9，旨在提升AI、矢量和DSP性能，以及安全性。Armv9架构沿用了AArch64基准指令集，并在功能方面添加了一些非常重要的扩展，例如可伸缩矢量扩展2（SVE2）、矩阵乘法指令、机密计算架构（CCA）等。Armv9架构被认为是为下一个十年的计算平台奠定了基础，将会全面挑战x86架构在服务器、桌面和移动领域的优势。

结束语

展望未来，ARM架构仍然拥有广阔的发展空间。其在性能、功耗、安全性等方面的优势将继续得到提升和巩固。例如，在性能方面，ARM会推出采用更先进工艺和微架构的高性能处理器，如面向服务器应用的高端Cortex-A系列，以扩大在计算密集型应用领域的份额。在功耗方面，随着工艺进步，ARM的各类处理器都会实现更低的能耗指标，为移动互联网终端提供更长的电池寿命。在安全性方面，TrustZone、指令过滤等安全技术的应用会更加广泛，保证系统和用户数据的安全可靠。此外，ARM生态系统会继续扩大，为众多垂直应用领域提供定制化解决方案。ARM的影响力也会进一步扩散，其架构很可能会成为全球终端计算的主流选择。总体来看，ARM正处于一个快速发展的黄金期，它的先进技术与良好生态为其未来发展奠定了坚实基础。相信在不久的将来，ARM会使得万物计算成为可能，继续改变我们的生活。

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