计算机中的ARM架构是什么？它为什么重要？

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ARM架构已经从驱动简单的电子设备发展到驱动笔记本电脑、台式机和服务器。如果你曾经使用过安卓手机、iPhone、树莓派或新款Mac电脑，那么即使你没有意识到，你也已经接触过基于这种设计的处理器了。

接下来，我们将详细介绍计算机中的 ARM 架构究竟是什么，它的工作原理，它的起源，以及它与 Intel 和 AMD 的 x86 架构相比，为何正在改变计算机行业的格局。我们还将探讨它与 RISC-V 的关系，它在 Windows、macOS 和 Linux 系统中的作用，以及各大厂商为何纷纷采用这种 CPU。

什么是ARM架构？它基于什么？

当我们谈到 ARM 时，我们指的是RISC（精简指令集计算）指令集架构，它是为低功耗但功能日益强大的处理器而设计的，应用范围从微型微控制器到个人电脑和数据中心。

与 x86/x86-64 等 CISC 架构（参见Intel 和 AMD 处理器之间的差异）不同，ARM 采用更简单、更紧凑、更高效的指令集。这使得处理器能够使用更少的晶体管，降低内部复杂性，并显著降低功耗——这对于超轻薄移动设备和笔记本电脑而言至关重要。

需要强调的是，ARM Holdings（现为Arm Ltd.）并不生产处理器。该公司设计架构和内核，然后将这项技术授权给第三方（苹果、高通、三星等），这些第三方通过添加定制的GPU、内存控制器、调制解调器和其他组件，将其集成到自己的SoC中。

实际上，这意味着虽然ARM 处理器都共享相同的指令集基础，但它们的行为和性能却大相径庭，这使得开发兼容的操作系统和应用程序成为可能。

ARM简史：从Acorn到市场主导地位

ARM的故事始于1983年，当时Acorn Computers公司决定基于其MOS 6502芯片（当时该公司许多个人电脑都使用这款芯片）的经验，开发一款新的处理器。该项目由Sophie Wilson和Steve Furber领导。

他们的目标是创造一款先进但内部结构极其简单的处理器，无需微代码，并遵循清晰的精简指令集计算机（RISC）理念。1985年，他们完成了第一个原型机ARM1的设计；1986年，ARM2问世，这是第一个商业版本，被应用于诸如Acorn Archimedes等计算机中。

ARM2 拥有32 位数据总线、26 位地址空间和 16 个 32 位通用寄存器。其中一个寄存器用作程序计数器 (PC)，部分位用于状态标志。从技术角度来看，它的结构极其简单：大约使用了 30.000 个晶体管，并且没有高速缓存。

这种简洁性使得ARM3在相同时间内能耗极低，性能优于 Intel 286。其后继者 ARM3 增加了一个 4 KB 的统一缓存，显著改善了重复内存访问。

20世纪80年代末，苹果公司开始与Acorn公司合作开发新版本的ARM内核。为了避免其他制造商的担忧，一家名为Advanced RISC Machines（ARM）的独立公司于1990年成立，其任务是设计和授权未来几代处理器。

这一阶段见证了ARM6的诞生，它于1991年推出，被苹果公司用于Newton（ARM 610），也被Acorn公司用于RISCPC。其核心结构出人意料地简单：仅由35.000个晶体管组成，这使得它能够与各种外围设备集成，并构建定制系统。

ARM凭借ARM7TDMI实现了向消费市场的飞跃，这款芯片被广泛应用于数百万部手机、掌上游戏机和嵌入式系统中。与此同时，Digital（DEC）获得了该设计的授权，并开发了StrongARM，其运行频率高达233MHz，功耗仅为1W左右，这在能效方面具有里程碑式的意义。

随着时间的推移，这项技术落入了英特尔手中，英特尔将其集成到其 Intel i960 系列和 XScale 解决方案中，而其他巨头如飞思卡尔、IBM、德州仪器、任天堂、飞利浦、三星、意法半导体或 Atmel也获得了 ARM 架构的授权。

如今，全球约四分之三的32位处理器都采用了ARM内核。这意味着ARM架构的应用范围极其广泛：硬盘、路由器、玩具、汽车、电视、手机、平板电脑、笔记本电脑，以及越来越多的个人电脑和服务器。

主要的ARM处理器系列

几十年来，ARM 发布了不同的架构系列和版本（ARMv1、v2、v3 等），每个版本都在性能、内存容量、缓存、浮点支持和额外功能方面有所改进。

第一代ARM架构，例如ARM1、ARM2和ARM3（ARMv1和ARMv2），主要面向BBC Micro（配备ARM协处理器）、Acorn Archimedes或RiscPC等计算机，提供非常简单的32位CPU。这些芯片缺乏完整的内存管理单元（MMU）（在某些情况下使用外部MEMC），并且几乎没有缓存。

ARM6（ARMv3）系列实现了向完全 32 位寻址的飞跃，并采用了 ARM600 或 ARM610 等内核，其中一些内核集成了缓存和用于浮点协处理器的专用总线。

随后出现了ARM7和ARM7TDMI（ARMv3和ARMv4T），它们支持16位Thumb指令集、三级流水线，并有带缓存、MMU或MPU的变体。这些内核是Game Boy Advance、Nintendo DS、Apple iPod等热门产品以及NXP、Atmel和Psion等公司的嵌入式系统的基础。

与此同时， StrongARM（ARMv4）系列问世，这是与 DEC 合作的成果，其重点是为 PDA 和小型计算机（Apple Newton 2×00、iPAQ、Zaurus 等）实现高 MIPS/瓦，并具有当时相对较大的 L1 缓存和完整的 MMU。

后来，ARM9、ARM9E 和 ARM10E 系列（ARMv4T 和 ARMv5）引入了更深的流水线、改进的 DSP 指令、更广泛的 Thumb 支持、用于在硬件中执行 Java 字节码的 Jazelle 功能以及更大的可配置缓存。这些内核被广泛应用于移动电话、数码相机、网络设备、掌上游戏机以及无数其他系统级芯片 (SoC) 中。

一个重要的分支是XScale (ARMv5TE)，它被英特尔收购，专为具有高频率、大容量 L1/L2 缓存的应用处理器和网络处理器而设计，在某些情况下，还具有 RAID 加速器或非常特定的 I/O 功能。

ARM11 （ARMv6）引入了最多9级的流水线、SIMD支持、Thumb-2、Jazelle DBX、DSP改进以及TrustZone等安全技术。这些内核已被应用于众多知名设备，例如第一代iPhone、早期iPod touch、部分诺基亚N系列手机、游戏主机以及第一代树莓派。

现代科技革命随着Cortex系列的出现而到来，尤其是在ARMv7-A及后续应用架构中。Cortex-A5、Cortex-A8、Cortex-A9及其多核变体（MPCore）等内核成为智能手机、平板电脑、智能电视和轻薄笔记本电脑的事实标准。

这些内核集成了超标量执行、深度流水线、NEON（SIMD）、用于浮点运算的VFP、先进的Thumb-2和TrustZone。它们被应用于德州仪器OMAP系列、三星Exynos、英伟达Tegra、高通骁龙以及苹果A4/A8及其后续产品等SoC中。

在嵌入式和微控制器领域，Cortex-R（实时配置文件）和Cortex-M（微控制器配置文件）系列脱颖而出，其衍生产品包括Cortex-R4、Cortex-M0、M1、M3和M4，专为响应时间可预测性和效率至关重要的关键系统、工业控制、汽车和消费电子产品而设计。

ARM 指令集：RISC、条件模式和 Thumb 模式

ARM 指令集从一开始就被设计成纯粹的 RISC 架构：指令简单、长度固定，在很多情况下都可以在一个时钟周期内执行完毕。关键在于编译器能够生成高效的指令序列，这些序列由少量高度原子性的指令组成。

一个非常独特的特性是，在经典的 32 位模式下，每条指令的最高 4 位都包含一个条件码。这使得几乎任何指令都可以是条件指令（仅当满足特定标志时才执行），从而减少了跳转的需求，并防止在包含频繁条件的短代码块中出现流水线冒泡。

此外，ARM 允许将算术/逻辑运算与寄存器移位和循环移位操作结合在一条指令中。例如，C 语言中等效于“a += (j << 2);”的语句，可以用一条 ARM 指令表示，该指令将移位后的值加到寄存器中，从而节省指令和内存访问次数。

另一个优势是，该地址集支持前置和后置递增模式、相对寻址以及其他灵活的寻址方法，这些在其他也被认为是 RISC 架构的系统中并不常见。所有这些都有助于减少指令总数并提高每个周期的性能。

经典架构定义了16 个程序员可见的 32 位寄存器（R0-R15）。原则上它们是对称的，尽管 R15 用作程序计数器 (PC)，R14 通常用作链接寄存器（子程序或异常的返回地址），而 R13 用作堆栈指针。

ARM 有两种主要执行模式：ARM 模式（32 位指令）和 Thumb 模式（16 位指令）。ARM 模式功能更强大（指令集更完整），但生成的代码更大；Thumb 模式将每条指令的长度减半，提高了代码密度，并且在许多情况下，提高了内存总线较窄的系统的性能。

Thumb 本质上是ARM 架构中最常用指令集的一个子集。第一个集成 Thumb 的处理器是 ARM7TDMI，此后几乎所有后续系列（ARM9、XScale、Cortex 等）都支持 Thumb 或其演进版本 Thumb-2。

此外，还有Jazelle DBX 技术，它允许 Java 字节码直接在某些核心（名称中包含“J”的核心，例如 ARM926EJ-S）的硬件上运行。这项功能旨在加速资源有限的设备上的 Java 虚拟机。

ARM架构的主要优势

ARM 的流行并非偶然：它源于其能源效率高、设计灵活、成本低，并且性能足以满足大多数用途。

一方面，由于ARM架构采用精简指令集（RISC）架构，指令集相对较小且没有庞大的微代码，因此ARM内核所需的晶体管数量远少于同等x86架构。更少的晶体管意味着更低的功耗、更少的发热量以及更小、更便宜的芯片。

这使得ARM 处理器能够以极低的功耗提供非常不错的性能，这对于由电池供电或有散热限制的手机、平板电脑、超轻薄笔记本电脑、物联网设备以及嵌入式系统来说至关重要。

授权模式也对 ARM 有利：ARM 将其内核的知识产权出售给各种制造商，这些制造商可以对其进行定制，将其与其他模块（GPU、调制解调器、AI 加速器）合并，并创建完全适应其产品的 SoC。

这造就了一个庞大的制造商生态系统，不断提高性能和效率，并为几乎所有细分市场提供非常广泛的产品：从超便宜的微控制器到服务器用 64 位 CPU。

总而言之，ARM架构具有低功耗、价格实惠、代码密度高、工具成熟以及性能优异且持续提升等优点。虽然它在高端游戏台式机上的原始性能并不总是能达到x86的水平，但在大多数情况下，它也无需如此。

32 位和 64 位 ARM：最新发展

最初的ARM架构是32位的，并在之后的几十年里主导了嵌入式和移动设备市场。然而，从2011年开始，Arm推出了原生支持64位的架构（ARMv8及更高版本），从而能够处理更繁重的工作负载。

ARM架构向64位架构的过渡并没有牺牲RISC的效率；相反，这得益于现代指令集的更精细设计。这使得更大的内存地址和更高精度的算术运算成为可能，这对于高端移动设备以及计算机和服务器而言都至关重要。

与 x86 相比，ARM 的复杂性降低仍然是一个优势：即使在 64 位版本中，ARM 处理器执行相同任务所需的晶体管也更少，从而降低了制造成本和功耗。

在个人电脑领域，这体现在苹果芯片（M1、M2、M3……）和高通新推出的骁龙X Elite等处理器上，这些处理器将高性能核心与高效核心和集成显卡相结合，能够在一般任务中与许多x86笔记本电脑相媲美。

在计算机、笔记本电脑和其他设备中使用ARM架构

传统上，ARM 处理器主要用于智能手机、平板电脑、智能电视、路由器、便携式游戏机以及其他低功耗、不需要台式机全部性能的设备。

但这种情况正在迅速改变。一方面，像树莓派这样的设备已经证明，ARM 系统可以完美地作为桌面微型计算机或迷你电脑，配合合适的操作系统（通常是 Linux），用于办公、浏览网页和轻量级编程等办公任务。

我们也看到了更强大的基于 ARM 的产品，例如 NVIDIA Tegra X1，Nvidia 将其用于 Shield TV，尤其是任天堂将其用于 Switch，在 Switch 中，图形性能和功耗之间的平衡至关重要。

在高端平板电脑领域，苹果凭借其 A 系列（以及后来的 M 系列）芯片，已经证明，精心设计的 ARM SoC 可以在创意应用、办公工作和繁重的多任务处理中提供出色的性能，而无需强劲的风扇。

微软方面则将ARM 处理器集成到 Surface Pro X 和 Surface 系列的其他型号等设备中，押注于轻便、静音且集成 LTE 连接的设备，这些设备可以与传统笔记本电脑在移动办公领域竞争。

与此同时，谷歌正在其Chromebook生态系统中大力推广ARM架构。基于Chromium和Android的Chrome OS与这种架构完美契合，能够提供价格实惠、轻薄便携且电池续航能力出色的笔记本电脑。许多Chromebook制造商选择ARM SoC正是为了最大限度地延长电池续航时间并降低成本。

ARM 和操作系统：Windows、macOS、Linux 等

虽然许多人将 ARM 仅与移动设备联系起来，但大多数主流操作系统已经对这种架构提供了成熟的支持，无论是在嵌入式版本还是在桌面和服务器环境中。

在移动领域，Android 和 iOS 多年来几乎完全依赖 ARM 处理器，充分利用其能效优势。苹果公司在向 Apple Silicon 过渡的过程中，也将这一理念延伸至其台式机和笔记本电脑，放弃了 Intel x86 处理器。

在搭载 ARM 处理器的 Mac 电脑上，苹果提供了Rosetta 2，这是一种转换系统，可以让为 Intel 编译的应用程序以惊人的性能运行。这极大地促进了过渡，以至于如今几乎所有相关的应用程序都有了原生 ARM 版本。

在微软生态系统中，Windows 曾探索过多种 ARM 架构的解决方案。Windows CE 和 Windows Embedded Compact 多年来一直支持嵌入式领域的 ARMv5、v6 和 v7 架构。后来，面向 Surface 等 ARM 平板电脑推出了 Windows 8 RT，但由于软件限制，效果并不理想。

Windows 10 和 Windows 11 更进一步，提供了支持 x86 应用程序模拟的 ARM 版本。在 Windows 11 中，模拟效果和性能都得到了显著提升，但与某些经典桌面软件仍然存在兼容性问题。

与此同时，Linux 和类 UNIX 系统对 ARM 架构的接受度相当高。Debian、Ubuntu、Arch Linux、Kali、Manjaro、Gentoo 和 Oracle Linux 等发行版都提供了适用于各种 ARM SoC 的官方镜像，包括 Raspberry Pi 和其他开发板。

在BSD方面，FreeBSD、NetBSD和OpenBSD都支持多种ARM平台，而像RISC iX这样的历史系统也曾在基于ARM2/ARM3的Acorn机器上运行。此外，Solaris和其他UNIX变体也都有针对这种架构的实现。

在实时和嵌入式操作系统领域，ARM架构被广泛应用于Android（嵌入式设备）、Windows CE/Embedded、.NET Micro Framework、ChibiOS/RT、FreeRTOS、eCos、Integrity、Nucleus、QNX、RTEMS、ThreadX、VxWorks、uTasker、MQX等众多操作系统中。之所以说支持ARM架构的操作系统数量庞大，是因为几乎所有现代实时操作系统都至少支持一种ARM架构。

英特尔、ARM 以及 big.LITTLE 架构背后的灵感

多年来，经典的台式机和笔记本电脑处理器，尤其是英特尔和 AMD 的处理器，一直采用 CISC x86/x86-64 架构，具有更大更复杂的内核，并由强大的电源和专用散热系统供电。

相比之下，ARM 为手机和嵌入式 SoC 设计的产品长期以来都采用big.LITTLE 类型的异构架构，将功能强大的内核和高效的内核组合在同一芯片中，以根据工作负载调整功耗。

这一理念直接启发了英特尔新一代混合型酷睿处理器，该处理器将高性能核心（P核心）与高能效核心（E核心）集成于单个封装中。虽然它们未使用ARM架构，但确实借鉴了ARM的理念来提升整体效率和性能。

就直接竞争而言，ARM架构直到最近还仅限于一些非常特定的桌面项目或苹果生态系统。然而，随着骁龙X Elite和其他类似项目的推出，高通和其他厂商的目标是挑战x86架构在主流笔记本电脑市场的地位。

ARM架构在主流PC领域面临的最大障碍仍然是软件兼容性，尤其是在游戏领域，它仍然依赖于针对x86架构优化的GPU和驱动程序。只要AMD和Intel在独立显卡和高性能CPU领域保持领先地位，游戏领域就仍将与x86架构紧密相连。

ARM 与 RISC-V：两种不同的 RISC 架构

近年来，RISC-V——另一种在许多方面与ARM直接竞争的RISC架构——获得了显著的关注。与ARM一样，RISC-V也面向低功耗设备，但它在一个关键方面有所不同：RISC-V是一种开放且无需授权的指令集架构（ISA）。

使用 x86-64 或 ARM 架构需要向 Intel、AMD 或 Arm Ltd. 支付专利费，而任何公司或个人都可以设计、制造和销售 RISC-V 处理器，无需支付指令集版权费。这使得 RISC-V 对寻求技术独立和降低成本的国家和制造商来说尤其具有吸引力。

目前，就纯粹的功能而言，ARM 和 RISC-V 都具备 64 位扩展，并支持完整的操作系统。ARM 已在 Android、iOS、macOS 和 Linux 等平台上得到广泛应用，而 RISC-V 也开始在 Android（谷歌将其推广为顶级架构）以及 Ubuntu 和 Fedora 等 Linux 发行版中获得官方支持。

在厂商支持方面，ARM 仍然拥有压倒性的优势。如今几乎所有智能手机、平板电脑和智能设备都使用 ARM 架构，而目前大多数 RISC-V 芯片仍然主要面向开发、微控制器和非常特定的产品。

然而，RISC-V 在价格和设计自由度方面显然更胜一筹。由于无需支付许可费用，它可以更轻松地创建超低成本或高度定制化的产品，这也解释了为什么像中国和俄罗斯这样的国家对在其项目中采用这种架构感兴趣。

如果现在非要选出“赢家”，ARM 在生态系统、可用软件和成熟度方面仍然更胜一筹。然而，RISC-V 未来极具竞争力，尤其是在低成本设备、物联网、路由器、入门级 PC 和经济型智能手机领域。

从宏观角度来看，ARM架构已成为现代计算的基石之一：从我们日常使用的手机到超轻薄笔记本电脑、Chromebook、搭载Apple Silicon芯片的Mac电脑，以及种类繁多的嵌入式设备，都离不开它的驱动。其精简指令集（RISC）理念、兼具高能效和充足性能的优势、灵活的授权模式以及广泛的操作系统支持，都解释了为何它能在如此多的领域占据主导地位，即便像RISC-V这样的新兴架构正作为CPU领域的开放式替代方案崭露头角。