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。
- 執行上有點慢，中斷的回應時間太長，而且太貴。
- 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：
- 指令長度固定，方便CPU解碼，簡化解碼器設計。
- 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。
- 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。
- 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：
- 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。
- 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。
延伸閱讀：
(後面還有開始大賣的ARM7)
開始大賣的ARM7
1993年推出的ARM7延續著ARMv3核心，但是由於製程的進步，快取加大至8KB，時脈也一舉拉高至40MHz。
ARM7TDMI（處理器架構ARMv4T），除了原本的32位元指令集外，還新增了Thumb，也就是精簡過的16位元指令集，讓編譯出來的程式可以縮小程式碼體積，官方表示與標準的ARM指令集相比，可以縮小35％的程式碼體積，又能享受32位元架構所帶來的效能提升。Thumb指令在執行時會通過處理器內一個叫做Thumb解碼器的東西，及時解壓成32位元ARM指令，同時也可受惠於32bit的記憶體匯流排，加速指令與資料的載入。
但之後的ARM8家族和Digital Equipment Corporation向ARM買授權自行製作的處理器StrongARM，都不支援Thumb。
ARM7EJ的處理器架構為ARMv5TEJ，直接加入稱為Jazelle DBX的運算電路，能夠以硬體加速大部分的Java bytecode，提升Java程式的執行效率；同時也新增適合處理DSP的指令，如飽和運算（saturated arithmetic）可以加速多媒體應用。
Java的執行方式
程式設計師以Java語言寫出程式後，經過編譯器編譯成Java bytecode檔，執行時便把這個Java bytecode丟入一個稱作JVM（Java Virtual Machine）的模擬器裡執行，在各種平台上都有不同的JVM，所以編譯過後的Java bytecode能夠跨平台執行。
飽和運算（saturated arithmetic）
正常以二進位表示為11111111（255）+00000001（1）＝100000000（256），但是一個8bit的加法器，當輸入255+1的指令後，計算出來的結果將會是0。因為處理器只有8bit，最高位會產生數值溢位，實際交由8bit加法器運算將變成11111111（255）+00000001（1）＝00000000（0）。但是當處理器支援飽和運算後，255+1的結果將變成255，經計算後的數值資料只會頂天立地（該資料類型的最大值或最小值），不會產生overflow或是underflow。
更換為哈佛架構
ARM9處理器家族內部處理器架構為ARMv5TE，導入了相當重要的架構更新，以往ARM和x86處理器都是採用馮‧紐曼架構，意即中央處理器和儲存裝置是分開的，中央處理器到儲存裝置中讀取一段程式碼執行，而不同程式碼可以造成不同的執行結果。相較於古早時代的電腦，一旦要執行不同的程式碼時，必須更動硬體設計，重新接線。約翰‧馮‧紐曼在1945年的論文中提出這個處理單元和儲存單元分離的概念，對於後來電腦發展有相當重大的影響。
哈佛架構則是馮‧紐曼架構的延伸，哈佛架構更進一步定義了程式和資料是由兩個獨立的空間儲存，同時也有兩個記憶體控制單元分別操作。讀取程式後解碼便得到資料位址，再到資料記憶體中讀取資料。此種架構好處在於指令和資料的記憶體操作能夠同時進行，當處理器在運算資料時，便可以先行擷取下一道指令。
▲馮‧紐曼架構，程式和資料儲存在同一個記憶體中。
▲哈佛架構，程式和資料分開儲存至不同的記憶體中。
在ARM10E的處理器架構升級為ARMv5TE，加入了VFP（向量浮點架構）的協同處理器，提升浮點數運算能力。
（後面還有智慧型手機應用大爆發）
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)
部分ARM處理器家族、架構對照表（資料來源：維基百科、ARM）
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ARM年度大事紀
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