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

智慧型手機應用大爆發

被蘋果相中的ARMv6

在2007年的Macworld發生了一件大事，劃時代的iPhone誕生了，直覺的使用者操作立刻席捲全球，App Store的商業模式解決以往PDA程式太少的窘況。而第一代的iPhone和其後的iPhone 3G便是採用ARMv6處理器架構，也是第一次讓人感受到，原來ARM可以做到這麼好的使用者體驗。

ARMv6架構在2001提出，對應ARM11處理器家族。新增SIMD處理功能，相當適合影片處理加速使用。同時也提出ARM11MPCore，首次將多核心的概念導入ARM處理器中。Thumb指令集也升級到第2代Thumb-2，將原先16bit的指令集部分擴展到32bit，變成同時擁有16bit和32bit指令長度的指令集。

不過這個ARMv6架構有點短命，還沒看到幾顆多核的ARM11處理器（NVIDIA的Tegra即為ARM11MPCore），就被ARM緊接而來的Cortex處理器給蓋過去。

劃分高中低階的Cortex

在ARM11之後的處理器家族，改採Cortex命名，並針對高、中、低階分別劃分為A、R、M三大處理器。像是高階手機用的Coretex-A系列，或者是微控制器所使用的Coretex-M系列，需要較高性能、或是即時處理的系統則改用Coretex-R系列。

除了Cortex-M0、Cortex-M1為ARMv6-M，馮‧紐曼架構之外，其他Cortex的處理器架構更新到ARMv7，一樣由高至低分成ARMv7-A、ARMv7-R、ARMv7-M三種，其中ARMv7-M不支援最原始的ARM指令集，僅支援16bit的Thumb指令集，卻加入NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller），提供更快的中斷處理、還有負責CPU在深層睡眠時的中斷處理WIC（Wake-up Interrupt Controller）。

Cortex-A（ARMv7-A）和 Coretex-R（ARMv7-R）2種架構基本上是相同的，都支援更新的進階型SIMD處理，稱為NEON，ARM宣稱效能至少是上一代處理器架構ARMv6的2倍。NVIDIA的Tegra 2處理器較為特殊，雖是採用Cortex-A的CPU，但沒有包含NEON，反而使用自家的技術，內建專門的音訊處理器和視訊處理器。

Cortex-A和 Coretex-R最大的差異在於記憶體管理單元部分，Cortex-A使用MMU（memory management unit）、Cortex-R使用MPU（memory protection unit）。前者的記憶體管理單元提供虛擬記憶體的支援，後者只能運作在記憶體保護模式。

記憶體管理：real、protected、virtual

最初的CPU記憶體管理只有real mode，在這個模式下，所有程式都可以直接存取記憶體、I/O、電腦附加的硬體。但是在這種模式下的記憶體空間少（1MB），程式無法多工（如果2個程式同時餵給印表機資料，印出來會是什麼鬼啊！）。到了80286處理器後，導入了protected mode，將作業系統和程式的記憶體區塊分開，如果程式想要存取記憶體，必須經由作業系統中介。從而提升系統安全性和穩定性。virtual memory則是在protected mode下的產物，允許硬碟之類非實體記憶體的裝置能夠模擬成記憶體。邏輯上來說，可以在不增加硬體花費的情況下，直接加大實體記憶體容量。但硬碟的存取速度卻遠不如實體記憶體，目前SATA 6Gb/s介面頻寬為6Gb/s，DDR3-1600雙通道的介面頻寬卻有25.6GB/s，兩者相差約43倍。

遍地開花的ARM

ARM一開始與蘋果、VLSI所投資的資金下成立，初期營運狀況不佳，而英國當地也沒有什麼晶圓廠，同時ARM也決心將自行發展的技術成為業界的標準。在這些條件的加總之下，ARM選擇了以IP授權的方式經營。

IP（intellectual property智慧財產權）授權，即是把自己所創造的東西，以某種方式授權給其他人利用。例如我們在行人穿越線兩旁所看到的小綠人走路燈號，當初的設計者便可以把此種想法授權給其它地區採用，藉以收取授權費。而ARM也是透過此種方式營利，除了一開始的授權費之外，每賣出一顆晶片還需要付版權費。另一家較為知名採用IP授權營利的公司為MIPS，其產品常常可以在網路設備中見到。

這種授權方式使得每家公司都可以依據自身需求，設計出客製化晶片。比如說產品並不需要繪圖的部分，便可以把繪圖IP核心拿掉，亦或者也可以在晶片裡塞入其他家廠商做出的IP核心，讓功能更多元。相較於Intel近年強迫中獎的顯示核心，ARM的作法彈性許多。

▲常見的ARM授權製造模式，ARM將設計授權給設計公司（如Qualcomm），製造授權給晶圓代工公司（如台積電），最後生產出來的晶片再賣給其他廠商做成實際產品（如HTC）。

▲眾多的合作夥伴，這些公司都有ARM的IP授權，你能找出哪幾個較令人熟悉的牌子呢？

未來朝向64bit邁進

如同 x86邁向x64一般，ARM也需要更大的匯流排來增加效能。在下一代的ARMv8架構中，也將加入64bit的支援，但是一切都還在討論中。但是現在也不急，暫時還有個Coretex-A15可以拿來填一下發展時程，至於會增加哪些指令集則尚未確定。

ARMv8處理器將有2個執行狀態，AArch32和AArch64。前者將完全相容ARMv7的指令集及架構，將原封不動地移植到ARMv8身上。後者AArch64則是全新的指令集與處理器架構。

ARM目前也在積極建立並等待64bit的生態鏈完備，就如同x86轉換到x64一般，AMD的64位元處理器早在2003年問世，但是等到64位元作業系統、程式真正普及，卻也只是近幾年的事情而已。更別說一般人電腦C槽裡那個Program Files x86資料夾，放在裡面的程式應該比Program Files還要多。

最近開始身價上漲的硬體加解密功能，ARM也預計加入AES加解密的指令，利用進階SIMD的128bit暫存器來實作，SHA-1和SHA-256也在支援中。

AES演算法

Advanced Encryption Standard高級加密演算法，是一種用來進行區塊加密（將數值資料切割成等長，分別對個別區段分別加密）的技術，用以取代Data Encryption Standard（DES）的加密方式，目前DES已被SciEngines公司所製造的COPACOBANA RIVYERA硬體證實能夠在1天的時間內被暴力破解完畢。

SHA演算法

Secure Hash Algorithm安全雜湊演算法，不同的資料數值，經過特定演算法所運算出來的SHA值也不同，這個固定長度的值可視為這個資料的指紋，具有專一性。目前SHA演算法用來檢查檔案完整性與否，是否經過有心人士的篡改；也用來檢查從網路上下載回來的檔案是否正確，特別是那些動輒幾GB的檔案。

(後面還有ARM處理器家族、架構對照表)