- ARM 架構是一種低功耗 RISC 設計，廣泛應用於從微控制器到完整電腦的各種裝置。
- 它的成功是基於簡單的指令集、第三方許可和遠優於 x86 的能源效率。
- ARM 架構應用於手機、平板電腦、Chromebook、搭載 Apple Silicon 的 Mac 電腦以及 Android、iOS、Windows 和 Linux 等多種作業系統。
- RISC-V 作為 ARM 的開放替代方案正在興起，但在製造商支援和軟體生態系統方面仍然遠遠落後。
ARM架構已經從驅動簡單的電子設備發展到驅動筆記型電腦、桌上型電腦和伺服器。如果你曾經使用過安卓手機、iPhone、樹莓派或新款Mac電腦，那麼即使你沒有意識到，你也已經接觸過基於這種設計的處理器了。
接下來，我們將詳細介紹電腦中的 ARM 架構究竟是什麼，它的工作原理，它的起源，以及它與 Intel 和 AMD 的 x86 架構相比，為何正在改變電腦產業的格局。我們也將探討它與 RISC-V 的關係，它在 Windows、macOS 和 Linux 系統中的作用，以及各大廠商為何紛紛採用這種 CPU。
什麼是ARM架構？它是基於什麼？
當我們談到 ARM 時，我們指的是RISC（精簡指令集運算）指令集架構，它是為低功耗但功能日益強大的處理器而設計的，應用範圍從微型微控制器到個人電腦和資料中心。
與 x86/x86-64 等 CISC 架構（參見Intel 和 AMD 處理器之間的差異）不同，ARM 採用更簡單、更緊湊、更有效率的指令集。這使得處理器能夠使用更少的晶體管，降低內部複雜性，並顯著降低功耗——這對於超輕薄行動裝置和筆記型電腦至關重要。
需要強調的是，ARM Holdings（現為Arm Ltd.）並未生產處理器。該公司設計架構和內核，然後將這項技術授權給第三方（蘋果、高通、三星等），這些第三方透過添加客製化的GPU、記憶體控制器、調變解調器和其他元件，將其整合到自己的SoC中。
實際上，這意味著雖然ARM 處理器都共享相同的指令集基礎，但它們的行為和效能卻大相徑庭，這使得開發相容的作業系統和應用程式成為可能。
ARM簡史：從Acorn到市場主導地位
ARM的故事始於1983年，當時Acorn Computers公司決定基於其MOS 6502晶片（當時該公司許多個人電腦都使用這款晶片）的經驗，開發一款新的處理器。該計畫由Sophie Wilson和Steve Furber領導。
他們的目標是創造一款先進但內部結構極其簡單的處理器，無需微代碼，並遵循清晰的精簡指令集計算機（RISC）理念。 1985年，他們完成了第一個原型機ARM1的設計；1986年，ARM2問世，這是第一個商業版本，被應用於諸如Acorn Archimedes等電腦中。
ARM2 擁有32 位元資料匯流排、26 位元位址空間和 16 個 32 位元通用暫存器。其中一個暫存器用作程式計數器 (PC)，部分位元用於狀態標誌。從技術角度來看，它的結構極為簡單：大約使用了 30.000 個晶體管，並且沒有高速緩存。
這種簡潔性使得ARM3在相同時間內能耗極低，效能優於 Intel 286。其後繼者 ARM3 增加了一個 4 KB 的統一緩存，顯著改善了重複記憶體存取。
80年代末，蘋果開始與Acorn公司合作開發新版本的ARM核心。為了避免其他製造商的擔憂，一家名為Advanced RISC Machines（ARM）的獨立公司於1990年成立，其任務是設計和授權未來幾代處理器。
這個階段見證了ARM6的誕生，它於1991年推出，被蘋果公司用於Newton（ARM 610），也被Acorn公司用於RISCPC。其核心結構出乎意料地簡單：僅由35.000個晶體管組成，這使得它能夠與各種外圍設備集成，並構建定制系統。
ARM憑藉ARM7TDMI實現了向消費市場的飛躍，這款晶片被廣泛應用於數百萬部手機、掌上游戲機和嵌入式系統中。同時，Digital（DEC）獲得了該設計的授權，並開發了StrongARM，其運行頻率高達233MHz，功耗僅為1W左右，這在能源效率方面具有里程碑式的意義。
隨著時間的推移，這項技術落入了英特爾手中，英特爾將其整合到其 Intel i960 系列和 XScale 解決方案中，而其他巨頭如飛思卡爾、IBM、德州儀器、任天堂、飛利浦、三星、意法半導體或 Atmel也獲得了 ARM 架構的授權。
如今，全球約四分之三的32位元處理器都採用了ARM核心。這意味著ARM架構的應用範圍極為廣泛：硬碟、路由器、玩具、汽車、電視、手機、平板電腦、筆記型電腦，以及越來越多的個人電腦和伺服器。
主要的ARM處理器系列
幾十年來，ARM 發布了不同的架構系列和版本（ARMv1、v2、v3 等），每個版本都在效能、記憶體容量、快取、浮點支援和額外功能方面有所改進。
第一代ARM架構，例如ARM1、ARM2和ARM3（ARMv1和ARMv2），主要針對BBC Micro（配備ARM協處理器）、Acorn Archimedes或RiscPC等計算機，提供非常簡單的32位元CPU。這些晶片缺乏完整的記憶體管理單元（MMU）（在某些情況下使用外部MEMC），並且幾乎沒有快取。
ARM6（ARMv3）系列實現了向完全 32 位元尋址的飛躍，並採用了 ARM600 或 ARM610 等內核，其中一些核心整合了快取和用於浮點協處理器的專用匯流排。
隨後出現了ARM7和ARM7TDMI（ARMv3和ARMv4T），它們支援16位元Thumb指令集、三級管線，並有帶快取、MMU或MPU的變體。這些核心是Game Boy Advance、Nintendo DS、Apple iPod等熱門產品以及NXP、Atmel和Psion等公司的嵌入式系統的基礎。
同時， StrongARM（ARMv4）系列問世，這是與 DEC 合作的成果，其重點是為 PDA 和小型電腦（Apple Newton 2×00、iPAQ、Zaurus 等）實現高 MIPS/瓦，並具有當時相對較大的 L1 快取和完整的 MMU。
後來，ARM9、ARM9E 和 ARM10E 系列（ARMv4T 和 ARMv5）引入了更深的管線、改進的 DSP 指令、更廣泛的 Thumb 支援、用於在硬體中執行 Java 字節碼的 Jazelle 功能以及更大的可配置快取。這些核心被廣泛應用於行動電話、數位相機、網路設備、掌上型遊戲機以及無數其他系統級晶片 (SoC) 中。
一個重要的分支是XScale (ARMv5TE)，它被英特爾收購，專為具有高頻率、大容量 L1/L2 快取的應用處理器和網路處理器而設計，在某些情況下，還具有 RAID 加速器或非常特定的 I/O 功能。
ARM11 （ARMv6）引進了最多9級的管線、SIMD支援、Thumb-2、Jazelle DBX、DSP改進以及TrustZone等安全技術。這些核心已應用於眾多知名設備，例如第一代iPhone、早期iPod touch、部分諾基亞N系列手機、遊戲主機以及第一代樹莓派。
現代科技革命隨著Cortex系列的出現而到來，尤其是在ARMv7-A及後續應用架構中。 Cortex-A5、Cortex-A8、Cortex-A9及其多核心變體（MPCore）等核心成為智慧型手機、平板電腦、智慧型電視和輕薄筆記型電腦的事實標準。
這些內核整合了超標量執行、深度管線、NEON（SIMD）、用於浮點運算的VFP、先進的Thumb-2和TrustZone。它們被應用於德州儀器OMAP系列、三星Exynos、英偉達Tegra、高通驍龍以及蘋果A4/A8及其後續產品等SoC。
在嵌入式和微控制器領域，Cortex-R（即時配置文件）和Cortex-M（微控制器配置文件）系列脫穎而出，其衍生產品包括Cortex-R4、Cortex-M0、M1、M3和M4，專為響應時間可預測性和效率至關重要的關鍵系統、工業控制、汽車和消費電子產品而設計。
ARM 指令集：RISC、條件模式與 Thumb 模式
ARM 指令集從一開始就被設計成純粹的 RISC 架構：指令簡單、長度固定，在許多情況下都可以在一個時脈週期內執行完畢。關鍵在於編譯器能夠產生高效的指令序列，這些序列由少量高度原子性的指令組成。
一個非常獨特的特性是，在經典的 32 位元模式下，每條指令的最高 4 位元都包含一個條件碼。這使得幾乎任何指令都可以是條件指令（僅當滿足特定標誌時才執行），從而減少了跳轉的需求，並防止在包含頻繁條件的短代碼區塊中出現管線冒泡。
此外，ARM 允許將算術/邏輯運算與暫存器移位和循環移位操作結合在一條指令中。例如，C 語言中等效於「a += (j << 2);」的語句，可以用一條 ARM 指令表示，該指令將移位後的值加到暫存器中，從而節省指令和記憶體存取次數。
另一個優點是，該位址集支援前置和後置遞增模式、相對尋址以及其他靈活的尋址方法，這些在其他也被認為是 RISC 架構的系統中並不常見。所有這些都有助於減少指令總數並提高每個週期的效能。
經典架構定義了16 個程式設計師可見的 32 位元暫存器（R0-R15）。原則上它們是對稱的，儘管 R15 用作程式計數器 (PC)，R14 通常用作連結暫存器（子程序或異常的返回位址），而 R13 用作堆疊指針。
ARM 有兩種主要執行模式：ARM 模式（32 位元指令）和 Thumb 模式（16 位元指令）。 ARM 模式功能更強大（指令集更完整），但產生的程式碼更大；Thumb 模式將每條指令的長度減半，提高了程式碼密度，並且在許多情況下，提高了記憶體匯流排較窄的系統的效能。
Thumb 本質上是ARM 架構中最常使用指令集的子集。第一款整合 Thumb 的處理器是 ARM7TDMI，此後幾乎所有後續系列（ARM9、XScale、Cortex 等）都支援 Thumb 或其演進版本 Thumb-2。
此外，還有Jazelle DBX 技術，它允許 Java 字節碼直接在某些核心（名稱中包含“J”的核心，例如 ARM926EJ-S）的硬體上運行。這項功能旨在加速資源有限的裝置上的 Java 虛擬機器。
ARM架構的主要優勢
ARM 的流行並非偶然：它源自於其能源效率高、設計靈活、成本低，且效能足以滿足大多數用途。
一方面，由於ARM架構採用精簡指令集（RISC）架構，指令集相對較小且沒有龐大的微程式碼，因此ARM核心所需的電晶體數量遠少於同等x86架構。更少的電晶體意味著更低的功耗、更少的發熱量以及更小、更便宜的晶片。
這使得ARM 處理器能夠以極低的功耗提供非常不錯的效能，這對於由電池供電或受散熱限制的手機、平板電腦、超輕薄筆記型電腦、物聯網裝置和嵌入式系統至關重要。
授權模式也對 ARM 有利：ARM 將其核心的智慧財產權出售給各種製造商，這些製造商可以對其進行定制，將其與其他模組（GPU、調製解調器、AI 加速器）合併，並創建完全適應其產品的 SoC。
這造就了一個龐大的製造商生態系統，不斷提高效能和效率，並為幾乎所有細分市場提供非常廣泛的產品：從超便宜的微控制器到伺服器用 64 位元 CPU。
總而言之，ARM架構具有低功耗、價格實惠、程式碼密度高、工具成熟以及效能優異且持續提升等優點。雖然它在高階遊戲桌上型電腦上的原始性能並不總是能達到x86的水平，但在大多數情況下，它也無需如此。
32 位元和 64 位元 ARM：最新發展
最初的ARM架構是32位元的，並在之後的幾十年主導了嵌入式和行動裝置市場。然而，從2011年開始，Arm推出了原生支援64位元的架構（ARMv8及更高版本），因此能夠處理更繁重的工作負載。
ARM架構向64位元架構的過渡並沒有犧牲RISC的效率；相反，這得益於現代指令集的更精細設計。這使得更大的記憶體位址和更高精度的算術運算成為可能，這對於高階行動裝置以及電腦和伺服器而言都至關重要。
與 x86 相比，ARM 的複雜性降低仍然是一個優勢：即使在 64 位元版本中，ARM 處理器執行相同任務所需的電晶體也更少，從而降低了製造成本和功耗。
在個人電腦領域，這體現在蘋果晶片（M1、M2、M3…）和高通新推出的驍龍X Elite等處理器上，這些處理器將高性能核心與高效核心和整合顯卡相結合，能夠在一般任務中與許多x86筆記型電腦相媲美。
在電腦、筆記型電腦和其他裝置中使用ARM架構
傳統上，ARM 處理器主要用於智慧型手機、平板電腦、智慧型電視、路由器、可攜式遊戲機以及其他低功耗、不需要桌上型電腦全部效能的裝置。
但這種情況正在迅速改變。一方面，像樹莓派這樣的設備已經證明，ARM 系統可以完美地作為桌面微型電腦或迷你電腦，配合合適的作業系統（通常是 Linux），用於辦公室、瀏覽網頁和輕量級程式設計等辦公室任務。
我們也看到了更強大的基於 ARM 的產品，例如 NVIDIA Tegra X1，Nvidia 將其用於 Shield TV，尤其是任天堂將其用於 Switch，在 Switch 中，圖形性能和功耗之間的平衡至關重要。
在高階平板電腦領域，蘋果憑藉其 A 系列（以及後來的 M 系列）晶片，已經證明，精心設計的 ARM SoC 可以在創意應用、辦公室工作和繁重的多任務處理中提供出色的性能，而無需強勁的風扇。
微軟方面則將ARM 處理器整合到 Surface Pro X 和 Surface 系列的其他型號等設備中，押注於輕巧、靜音且整合 LTE 連接的設備，這些設備可以與傳統筆記型電腦在行動辦公室領域競爭。
同時，谷歌正在其Chromebook生態系統中大力推廣ARM架構。基於Chromium和Android的Chrome OS與這種架構完美契合，能夠提供價格實惠、輕薄便攜且電池續航力出色的筆記型電腦。許多Chromebook製造商選擇ARM SoC正是為了最大限度地延長電池續航時間並降低成本。
ARM 與作業系統：Windows、macOS、Linux 等
雖然許多人將 ARM 僅與行動裝置聯繫起來，但大多數主流作業系統已經對這種架構提供了成熟的支持，無論是在嵌入式版本還是在桌面和伺服器環境中。
在行動領域，Android 和 iOS 多年來幾乎完全依賴 ARM 處理器，充分利用其能源效率優勢。蘋果公司在向 Apple Silicon 過渡的過程中，也將此理念延伸至其桌上型電腦和筆記型電腦，放棄了 Intel x86 處理器。
在搭載 ARM 處理器的 Mac 電腦上，蘋果提供了Rosetta 2，這是一個轉換系統，可讓為 Intel 編譯的應用程式以驚人的效能運作。這極大地促進了過渡，以至於如今幾乎所有相關的應用程式都有了原生 ARM 版本。
在微軟生態系中，Windows 曾經探索過多種 ARM 架構的解決方案。 Windows CE 和 Windows Embedded Compact 多年來一直支援嵌入式領域的 ARMv5、v6 和 v7 架構。後來，針對 Surface 等 ARM 平板電腦推出了 Windows 8 RT，但由於軟體限制，效果並不理想。
Windows 10 和 Windows 11 更進一步，提供了支援 x86 應用程式模擬的 ARM 版本。在 Windows 11 中，模擬效果和效能都得到了顯著提升，但與某些經典桌面軟體仍然存在相容性問題。
同時，Linux 和類別 UNIX 系統對 ARM 架構的接受度相當高。 Debian、Ubuntu、Arch Linux、Kali、Manjaro、Gentoo 和 Oracle Linux 等發行版都提供了適用於各種 ARM SoC 的官方鏡像，包括 Raspberry Pi 和其他開發板。
在BSD方面，FreeBSD、NetBSD和OpenBSD都支援多種ARM平台，而像RISC iX這樣的歷史系統也曾在基於ARM2/ARM3的Acorn機器上運作。此外，Solaris和其他UNIX變體也都有針對這種架構的實現。
在即時和嵌入式作業系統領域，ARM架構被廣泛應用於Android（嵌入式裝置）、Windows CE/Embedded、.NET Micro Framework、ChibiOS/RT、FreeRTOS、eCos、Integrity、Nucleus、QNX、RTEMS、ThreadX、VxWorks、uTasker、MQX等眾多作業系統中。之所以說支援ARM架構的作業系統數量龐大，是因為幾乎所有現代即時作業系統都至少支援一種ARM架構。
英特爾、ARM 以及 big.LITTLE 架構背後的靈感
多年來，經典的桌上型電腦和筆記型電腦處理器，尤其是英特爾和 AMD 的處理器，一直採用 CISC x86/x86-64 架構，具有更大更複雜的內核，並由強大的電源和專用散熱系統供電。
相較之下，ARM 為手機和嵌入式 SoC 設計的產品長期以來都採用big.LITTLE 類型的異質架構，將強大的核心和高效的核心組合在同一晶片中，以根據工作負載調整功耗。
這一理念直接啟發了英特爾新一代混合型酷睿處理器，該處理器將高性能核心（P核心）與高能效核心（E核心）整合於單一封裝中。雖然它們未使用ARM架構，但確實借鏡了ARM的理念來提升整體效率和效能。
就直接競爭而言，ARM架構直到最近還僅限於一些非常特定的桌面專案或蘋果生態系統。然而，隨著驍龍X Elite和其他類似專案的推出，高通和其他廠商的目標是挑戰x86架構在主流筆記型電腦市場的地位。
ARM架構在主流PC領域面臨的最大障礙仍然是軟體相容性，尤其是在遊戲領域，它仍然依賴針對x86架構最佳化的GPU和驅動程式。只要AMD和Intel在獨立顯示卡和高效能CPU領域保持領先地位，遊戲領域仍將與x86架構緊密連結。
ARM 與 RISC-V：兩種不同的 RISC 架構
近年來，RISC-V——另一種在許多方面與ARM直接競爭的RISC架構——獲得了顯著的關注。與ARM一樣，RISC-V也面向低功耗設備，但它在一個關鍵方面有所不同：RISC-V是一種開放且無需授權的指令集架構（ISA）。
使用 x86-64 或 ARM 架構需要向 Intel、AMD 或 Arm Ltd. 支付專利費，而任何公司或個人都可以設計、製造和銷售 RISC-V 處理器，無需支付指令集版權費。這使得 RISC-V 對尋求技術獨立和降低成本的國家和製造商來說尤其具有吸引力。
目前，就純粹的功能而言，ARM 和 RISC-V 都具備 64 位元擴展，並支援完整的作業系統。 ARM 已在 Android、iOS、macOS 和 Linux 等平台上廣泛應用，而 RISC-V 也開始在 Android（Google將其推廣為頂級架構）以及 Ubuntu 和 Fedora 等 Linux 發行版中獲得官方支援。
在廠商支援方面，ARM 仍然擁有壓倒性的優勢。如今幾乎所有智慧型手機、平板電腦和智慧型裝置都使用 ARM 架構，而目前大多數 RISC-V 晶片仍然主要面向開發、微控制器和非常特定的產品。
然而，RISC-V 在價格和設計自由度方面顯然更勝一籌。由於無需支付許可費用，它可以更輕鬆地創建超低成本或高度客製化的產品，這也解釋了為什麼像中國和俄羅斯這樣的國家對在其項目中採用這種架構感興趣。
如果現在非要選出“贏家”，ARM 在生態系統、可用軟體和成熟度方面仍然更勝一籌。然而，RISC-V 未來極具競爭力，尤其是在低成本設備、物聯網、路由器、入門級 PC 和經濟型智慧型手機領域。
從宏觀角度來看，ARM架構已成為現代運算的基石之一：從我們日常使用的手機到超輕薄筆記型電腦、Chromebook、搭載Apple Silicon晶片的Mac電腦，以及種類繁多的嵌入式設備，都離不開它的驅動。其精簡指令集（RISC）理念、兼具高能效和充足性能的優勢、靈活的授權模式以及廣泛的操作系統支持，都解釋了為何它能在如此多的領域佔據主導地位，即便像RISC-V這樣的新興架構正作為CPU領域的開放式替代方案嶄露頭角。