完全看懂 ARM 處理器：RISC 與 CISC 是什麼？歷史、架構一次看透

你知道iOS、Windows Phone、Android這3大平台的手機共通點是什麼嗎？除了都可以打電話、傳簡訊、安裝App之外，在硬體架構上最大的共同點，就是這些手機CPU全都是採用ARM架構。現在連Microsoft都相中這塊逐漸成長中的市場大餅，下一代的微軟視窗作業系統Windows 8也將會推出ARM版本，稱為Windows RT。究竟ARM與行動裝置的關係是什麼？又如何在這競爭激烈的市場中存活下去，逐漸壯大在嵌入式產品的影響力？看下去就知道。

快速目錄：

• ARM的開始、世界上首顆RISC處理器
• 開始大賣的ARM7、更換哈佛架構
• 被蘋果相中的ARMv6、高中低階Cortex
• 部分ARM處理器家族、架構對照表

都是從不務正業開始

如同Intel並不是以CPU起家，而是從記憶體跨足到IC設計，至今成為x86處理器的龍頭。ARM也是一樣，這一切都要從Hermann Hauser和Chris Curry所創立的Cambridge Processor Unit開始說起。

1978年，由物理學家Hermann Hauser和工程師Chris Curry一同在英國劍橋成立了一間公司，公司名稱直接取作Cambridge Processor Unit（CPU），主要從事提供當地電子儀器設備的業務。第一份合約即是為ACE Coin Equipment公司開發一款水果盤，也就是拉霸的遊戲機。

▲Cambridge Processor Unit為ACE Coin Equipment製造的水果盤遊戲機。

1979年，公司營運漸上軌道，便改名為Acron Computer有限公司。Acorn的中文翻譯為橡子，就是在冰原歷險記電影裡，那隻「鼠奎特」一直在追的果實，Acron Computer也以橡子為公司的標誌。

▲Acorn Computer Ltd把橡子圖案運用在自己的商標之中。

世界上首顆RISC處理器

隨著時間過去，漸漸地發現原本的硬體設計已不符需求，Acorn想要升級機器內的CPU。當時處理器的發展潮流是由8位元轉向16位元，一開始有考慮使用美國國家半導體以及Motorola新的16位元晶片，但是經過評估後，發現2個缺點。

1. 執行上有點慢，中斷的回應時間太長，而且太貴。
2. 一台500英鎊的電腦，CPU售價高達100英鎊。

於是只好轉向Intel，要求提供一些80286設計資料以及樣品，但是卻遭到Intel拒絕。這件事情後來直接導致Acorn決定設計自己需要的CPU，由於採用RISC架構的關係，名稱就稱為Acorn RISC Machine（ARM）。

RISC與CISC的差異

處理器的指令集可簡單分為2種，CISC（complex instruction set computer）以及RISC（reduced instruction set computer）。一開始的處理器都是CISC架構，隨著時間演進，有越來越多的指令集加入。由於當時編譯器的技術並不純熟，程式都會直接以機器碼或是組合語言寫成，為了減少程式設計師的設計時間，逐漸開發出單一指令，複雜操作的程式碼，設計師只需寫下簡單的指令，再交由CPU去執行。但是後來有人發現，整個指令集中，只有約20％的指令常常會被使用到，約佔整個程式的80％；剩餘80％的指令，只佔整個程式的20％。於是1979年美國加州大學柏克萊分校的David Patterson教授提出了RISC的想法，主張硬體應該專心加速常用的指令，較為複雜的指令則利用常用的指令去組合。

RISC的優點列舉如下：

1. 指令長度固定，方便CPU解碼，簡化解碼器設計。
2. 盡量在CPU的暫存器（最快的記憶體元件）裡操作，避免額外的讀取與載入時間。
3. 由於指令長度固定，更能受益於執行線路管線化（pipeline）後所帶來的效能提升。
4. 處理器簡化，電晶體數量少，易於提升運作時脈。比起同時脈的CISC處理器，耗電量較低。

RISC的缺點列舉如下：

1. 複雜指令需要由許多的小指令去完成，程式變得比較大，記憶體也占用比較多，這在硬碟昂貴，常常使用磁帶儲存的時代來說，是個大缺點。
2. 程式變長，代表著讀取工作變得繁重，需要更多的時間將指令從記憶體載入至處理器內。

這裡也提供一個小小的概念，CISC是在RISC出現之後才出現的相對名詞，並不是從一開始就有CISC、RISC這2種處理器架構。

首顆RISC架構CPU

於1985年，Acorn設計出了第一代處理器晶片，稱為ARM1，由Sophie Wilson設計出類似於6502的指令集，因為當時Acorn為英國國家廣播公司BBC所製造的BBC Micro電腦採用MOS 6502處理器，使用類似的指令集有助於縮短開發時間以及技術轉移。Steve Furber則是負責設計硬體實作。ARM1以第二顆處理器的身分，安裝在BBC Micro內部。

ARM1在晶圓設計部分，規格為3微米製程、2層金屬層、總計2萬5千個電晶體、6MHz運作時脈、消耗功率120mW、晶片面積50mm2。當時Intel的80286使用1.5微米製程、13萬4千個電晶體、6～12Mhz運作時脈，同時這2款處理器都不包含快取。

同年10月，Intel發表80386處理器，與之相比，ARM1顯得功能簡單、能源消耗較少，在效能上不是80386的對手。這一差異導致ARM系列處理器往後的設計路線明顯與Intel不同，Intel持續邁向x86高效能設計，ARM專注於低成本、低功耗的研發方向。

▲這是由VLSI製造的ARM1處理器，最外層那一圈不是CPU本體，而是必須焊在電路板上的連接座。

漸入佳境、架構變更

真正商業化的處理器為ARM2，ARM1處理器架構為ARMv1，到了ARM2更新到ARMv2，這一代新增乘法器在核心之中。ARMv2的進階版ARMv2a則是多包了記憶體管理核心、繪圖及I/O處理器。接下來的ARM3，處理器架構ARMv2a，是第一次於CPU裡內建了4KB快取。1990年，Acorn開始與蘋果電腦合作發展新一代的ARM晶片，特地還為此設立了一間公司，稱為Advanced RISC Machines公司。最初財務吃緊，辦公室僅為一個穀倉，成員也僅有12人。原本ARM所代表的Acorn RISC Machine，也在此時更換為Advanced RISC Machine。

1991年發展出的ARM6，處理器架構更新為ARMv3，主要擴展記憶體定址線。之前的ARM產品都只有26bit的記憶體定址線，最大可支援64MB的記憶體。從ARM6開始，完整支援32位元記憶體定址，最大支援到4GB。在此離題一下，ARM6處理器家族下的ARM610處理器，曾經用在蘋果電腦的Newton Message Pad上頭，Newton也被視為現今PDA與Smart Phone的始祖。

▲Apple Newton Message Pad。

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(後面還有開始大賣的ARM7)