ARM架構：RISC設計完整指南

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ARM 架構基於 RISC 理念，優先執行簡單指令以優化能耗。
其基於智慧財產權許可的商業模式使得多家製造商能夠製造客製化晶片。
它從基本的微控制器發展成為能夠與 x86 架構競爭的強大 64 位元處理器。

如果你正在用手機閱讀這篇文章，那麼你口袋裡很可能就有一顆全速運轉的ARM晶片。無論你是iPhone用戶還是安卓用戶，這項技術都已成為驅動當今數位移動出行的隱形引擎。但毋庸置疑，ARM不僅限於手機；它已經開始在電腦領域取得重大進展，打破了我們曾經認為不可逾越的障礙。

要了解我們身處何方，我們必須回顧過去，就會發現這一切並非始於矽谷的某個車庫，而是在英國。最初旨在提升電腦素養的項目，最終演變成一場效率革命，使得如今我們的電池續航時間比傳統桌上型電腦長得多。

計算機中的ARM架構是什麼？它為什麼重要？

Acorn Computers 的起源與發展歷程

一切始於1983年。 Acorn Computers公司想要打造一款先進的處理器，讓習慣了MOS 6502的程式設計師們不再感到頭痛。在Sophie Wilson和Steve Furber的指導下，團隊於1985年設計出了ARM1，但真正推向市場的版本是1986年的ARM2。這款晶片堪稱極簡主義的典範：它只有30.000萬個晶體管，不使用微代碼，也沒有緩存，因此能效極高。

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隨著時間的推移，他們的雄心壯誌日益增長。蘋果公司對此核心架構產生了濃厚的興趣，並於1990年與他們共同創立了Advanced RISC Machines Ltd.（高級精簡指令集電腦有限公司）。此次合作使得ARM6處理器得以應用於蘋果Newton掌上型電腦。儘管這款設備並未達到預期的成功，但它證明了ARM架構是便攜式硬體的理想選擇。隨後，ARM7系列處理器風靡全球，被廣泛應用於數百萬支手機和Game Boy Advance等遊戲機。

ARM 處理器

RISC 設計究竟是什麼？它是如何運作的？

當我們談到 ARM 時，我們指的是 RISC（精簡指令集計算機）。與 CISC 架構（例如 Intel 或 AMD 的架構）不同，後者使用複雜的指令集，執行起來可能需要多個時脈週期，而 ARM 則使用精簡的指令集。其理念很簡單：使每個指令都盡可能簡單，以便在單一記憶體週期內執行完畢，從而加快處理速度並防止晶片過熱。

CPU微架構與效能：超越GHz

這種方法使處理器能夠更流暢地執行取指、解碼和執行任務。此外，ARM 還實現了多項創新，例如 Thumb 模式（使用 16 位元指令而非 32 位元指令以節省記憶體和功耗）和 Jazelle 技術（旨在直接在硬體中執行 Java）。

處理器系列：從物聯網到雲端

並非所有ARM晶片都相同，它們根據預期用途分為不同的系列：

皮層-A： 它們是重量級設備，專為複雜應用而設計。它們控制智慧型手機、平板電腦和雲端伺服器，並提供支援。 Android等操作系統或iOS。
Cortex-R： 專為即時應用而設計。它們用於對精度要求極高的場合，例如汽車煞車系統或關鍵工業控制器。
Cortex-M： 它們是經過最佳化以實現最低功耗的微控制器。您可以在以下網址找到它們：智慧型設備和物聯網感測器家用電器和醫療器材。

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其中最耀眼的亮點之一是big.LITTLE架構。它本質上是將高性能核心與高能效核心結合。因此，當您查看時間時，晶片會使用低能源效率核心來節省電力；而當您運行大型遊戲時，高效能核心就會啟動，提供所需的全部效能。

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偉大的戰役：ARM 對戰 x86

ARM 和 x86 之間的爭論本質上是效率與效能之間的較量。 x86 處理器針對桌上型電腦和大型伺服器進行了最佳化，這些應用場景需要持續的功耗和龐大的風扇。相較之下，ARM 在散熱管理和電池續航力方面表現出色，從而可以打造輕薄且最重要的——靜音的系統。

ARM架構最大的弱點一直是相容性問題。由於軟體必須專門針對其架構編寫，許多為ARM設計的Windows應用程式無法原生運作。為了解決這個問題，蘋果公司開發了Rosetta 2，這是一個轉換器，可以讓英特爾應用程式在其M1、M2和M3晶片上運行，從而使用戶幾乎可以無縫地完成過渡。

商業模式：許可和生態系統

ARM Holdings最令人好奇的地方在於它並非實際生產晶片。它的業務核心是智慧財產權。他們設計藍圖（架構），然後將設計授權給高通、三星或聯發科等公司。這些公司在此基礎上進行改造，添加自己的GPU（例如Mali）或用於人工智慧的神經網路處理單元（NPU），從而打造出著名的SoC（系統級晶片）。