ARM 处理器：RISC与CISC 是什么？【转】

你知道iOS、Windows Phone、Android这3大平台的手机共通点是什么吗？除了都可以打电话、传简讯、安装App之外，在硬件架构上最大的共同点，就是这些手机CPU全都是采用ARM架构。现在连Microsoft都相中这块逐渐成长中的市场大饼，下一代的微软视窗作业系统Windows 8也将会推出ARM版本，称为Windows RT。究竟ARM与行动装置的关系是什么？又如何在这竞争激烈的市场中存活下去，逐渐壮大在嵌入式产品的影响力？看下去就知道。

快速目录：

l ARM的开始、世界上首颗RISC处理器

l 开始大卖的ARM7、更换哈佛架构

l 被苹果相中的ARMv6、高中低阶Cortex

l 部分ARM处理器家族、架构对照表

1. 都是从不务正业开始

如同Intel并不是以CPU起家，而是从存储器跨足到IC设计，至今成为x86处理器的龙头。ARM也是一样，这一切都要从Hermann Hauser和Chris Curry所创立的Cambridge Processor Unit开始说起。

1978年，由物理学家Hermann Hauser和工程师Chris Curry一同在英国剑桥成立了一间公司，公司名称直接取作Cambridge Processor Unit（CPU），主要从事提供当地电子仪器设备的业务。第一份合约即是为ACE Coin Equipment公司开发一款水果盘，也就是拉霸的游戏机。

▲Cambridge Processor Unit为ACE Coin Equipment制造的水果盘游戏机。

1979年，公司营运渐上轨道，便改名为Acron Computer有限公司。Acorn的中文翻译为橡子，就是在冰原历险记电影里，那只「鼠奎特」一直在追的果实，Acron Computer也以橡子为公司的标志。

▲Acorn Computer Ltd把橡子图案运用在自己的商标之中。

2. 世界上首颗RISC处理器

随着时间过去，渐渐地发现原本的硬件设计已不符需求，Acorn想要升级机器内的CPU。当时处理器的发展潮流是由8位元转向16位元，一开始有考虑使用美国国家半导体以及Motorola新的16位元芯片，但是经过评估后，发现2个缺点。

执行上有点慢，中断的回应时间太长，而且太贵。

一台500英镑的计算机，CPU售价高达100英镑。

于是只好转向Intel，要求提供一些80286设计资料以及样品，但是却遭到Intel拒绝。这件事情后来直接导致Acorn决定设计自己需要的CPU，由于采用RISC架构的关系，名称就称为Acorn RISC Machine（ARM）。

2.1. RISC与CISC的差异

处理器的指令集可简单分为2种，CISC（complex instruction set computer）以及RISC（reduced instruction set computer）。一开始的处理器都是CISC架构，随着时间演进，有越来越多的指令集加入。由于当时编译器的技术并不纯熟，程序都会直接以机器码或是汇编语言写成，为了减少程序设计师的设计时间，逐渐开发出单一指令，复杂操作的程序码，设计师只需写下简单的指令，再交由CPU去执行。但是后来有人发现，整个指令集中，只有约20％的指令常常会被使用到，约占整个程序的80％；剩余80％的指令，只占整个程序的20％。于是1979年美国加州大学柏克莱分校的David Patterson教授提出了RISC的想法，主张硬件应该专心加速常用的指令，较为复杂的指令则利用常用的指令去组合。

RISC的优点列举如下：

指令长度固定，方便CPU译码，简化译码器设计。

尽量在CPU的暂存器（最快的存储器元件）里操作，避免额外的读取与载入时间。

由于指令长度固定，更能受益于执行线路管线化（pipeline）后所带来的效能提升。

处理器简化，晶体管数量少，易于提升运作时脉。比起同时脉的CISC处理器，耗电量较低。

RISC的缺点列举如下：

复杂指令需要由许多的小指令去完成，程序变得比较大，存储器也占用比较多，这在硬盘昂贵，常常使用磁带储存的时代来说，是个大缺点。

程序变长，代表着读取工作变得繁重，需要更多的时间将指令从存储器载入至处理器内。

这里也提供一个小小的概念，CISC是在RISC出现之后才出现的相对名词，并不是从一开始就有CISC、RISC这2种处理器架构。

3. 首颗RISC架构CPU

于1985年，Acorn设计出了第一代处理器芯片，称为ARM1，由Sophie Wilson设计出类似于6502的指令集，因为当时Acorn为英国国家广播公司BBC所制造的BBC Micro计算机采用MOS 6502处理器，使用类似的指令集有助于缩短开发时间以及技术转移。Steve Furber则是负责设计硬件实作。ARM1以第二颗处理器的身分，安装在BBC Micro内部。

ARM1在晶圆设计部分，规格为3微米制程、2层金属层、总计2万5千个晶体管、6MHz运作时脉、消耗功率120mW、芯片面积50mm2。当时Intel的80286使用1.5微米制程、13万4千个晶体管、6～12Mhz运作时脉，同时这2款处理器都不包含快取。

同年10月，Intel发表80386处理器，与之相比，ARM1显得功能简单、能源消耗较少，在效能上不是80386的对手。这一差异导致ARM系列处理器往后的设计路线明显与Intel不同，Intel持续迈向x86高效能设计，ARM专注于低成本、低功耗的研发方向。

▲这是由VLSI制造的ARM1处理器，最外层那一圈不是CPU本体，而是必须焊在电路板上的连接座。

4. 渐入佳境、架构变更

真正商业化的处理器为ARM2，ARM1处理器架构为ARMv1，到了ARM2更新到ARMv2，这一代新增乘法器在核心之中。ARMv2的进阶版ARMv2a则是多包了存储器管理核心、绘图及I/O处理器。接下来的ARM3，处理器架构ARMv2a，是第一次于CPU里内建了4KB快取。1990年，Acorn开始与苹果计算机合作发展新一代的ARM芯片，特地还为此设立了一间公司，称为Advanced RISC Machines公司。最初财务吃紧，办公室仅为一个谷仓，成员也仅有12人。原本ARM所代表的Acorn RISC Machine，也在此时更换为Advanced RISC Machine。

1991年发展出的ARM6，处理器架构更新为ARMv3，主要扩展存储器定址线。之前的ARM产品都只有26bit的存储器定址线，最大可支援64MB的存储器。从ARM6开始，完整支援32位元存储器定址，最大支援到4GB。在此离题一下，ARM6处理器家族下的ARM610处理器，曾经用在苹果计算机的Newton Message Pad上头，Newton也被视为现今PDA与Smart Phone的始祖。

▲Apple Newton Message Pad。

5. 开始大卖的ARM7

1993年推出的ARM7延续着ARMv3核心，但是由于制程的进步，快取加大至8KB，时脉也一举拉高至40MHz。

ARM7TDMI（处理器架构ARMv4T），除了原本的32位元指令集外，还新增了Thumb，也就是精简过的16位元指令集，让编译出来的程序可以缩小程序码体积，官方表示与标准的ARM指令集相比，可以缩小35％的程序码体积，又能享受32位元架构所带来的效能提升。Thumb指令在执行时会通过处理器内一个叫做Thumb译码器的东西，及时解压成32位元ARM指令，同时也可受惠于32bit的存储器总线，加速指令与资料的载入。

但之后的ARM8家族和Digital Equipment Corporation向ARM买授权自行制作的处理器StrongARM，都不支援Thumb。

ARM7EJ的处理器架构为ARMv5TEJ，直接加入称为Jazelle DBX的运算电路，能够以硬件加速大部分的Java bytecode，提升Java程序的执行效率；同时也新增适合处理DSP的指令，如饱和运算（saturated arithmetic）可以加速多媒体应用。

5.1. Java的执行方式

程序设计师以Java语言写出程序后，经过编译器编译成Java bytecode档，执行时便把这个Java bytecode丢入一个称作JVM（Java Virtual Machine）的模拟器里执行，在各种平台上都有不同的JVM，所以编译过后的Java bytecode能够跨平台执行。

5.2. 饱和运算（saturated arithmetic）

正常以二进制表示为11111111（255）+00000001（1）＝100000000（256），但是一个8bit的加法器，当输入255+1的指令后，计算出来的结果将会是0。因为处理器只有8bit，最高位会产生数值溢位，实际交由8bit加法器运算将变成11111111（255）+00000001（1）＝00000000（0）。但是当处理器支援饱和运算后，255+1的结果将变成255，经计算后的数值资料只会顶天立地（该资料类型的最大值或最小值），不会产生overflow或是underflow。

6. 更换为哈佛架构

ARM9处理器家族内部处理器架构为ARMv5TE，导入了相当重要的架构更新，以往ARM和x86处理器都是采用冯?纽曼架构，意即中央处理器和储存装置是分开的，中央处理器到储存装置中读取一段程序码执行，而不同程序码可以造成不同的执行结果。相较于古早时代的计算机，一旦要执行不同的程序码时，必须更动硬件设计，重新接线。约翰?冯?纽曼在1945年的论文中提出这个处理单元和储存单元分离的概念，对于后来计算机发展有相当重大的影响。

哈佛架构则是冯?纽曼架构的延伸，哈佛架构更进一步定义了程序和资料是由两个独立的空间储存，同时也有两个存储器控制单元分别操作。读取程序后译码便得到资料位址，再到资料存储器中读取资料。此种架构好处在于指令和资料的存储器操作能够同时进行，当处理器在运算资料时，便可以先行撷取下一道指令。

▲冯?纽曼架构，程序和资料储存在同一个存储器中。

▲哈佛架构，程序和资料分开储存至不同的存储器中。

在ARM10E的处理器架构升级为ARMv5TE，加入了VFP（矢量浮点架构）的协同处理器，提升浮点数运算能力。

（后面还有智能型手机应用大爆发）

7. 智能型手机应用大爆发

被苹果相中的ARMv6

在2007年的Macworld发生了一件大事，划时代的iPhone诞生了，直觉的使用者操作立刻席卷全球，App Store的商业模式解决以往PDA程序太少的窘况。而第一代的iPhone和其后的iPhone 3G便是采用ARMv6处理器架构，也是第一次让人感受到，原来ARM可以做到这么好的使用者体验。

ARMv6架构在2001提出，对应ARM11处理器家族。新增SIMD处理功能，相当适合影片处理加速使用。同时也提出ARM11MPCore，首次将多核心的概念导入ARM处理器中。Thumb指令集也升级到第2代Thumb-2，将原先16bit的指令集部分扩展到32bit，变成同时拥有16bit和32bit指令长度的指令集。

不过这个ARMv6架构有点短命，还没看到几颗多核的ARM11处理器（NVIDIA的Tegra即为ARM11MPCore），就被ARM紧接而来的Cortex处理器给盖过去。

7.1. 划分高中低阶的Cortex

在ARM11之后的处理器家族，改采Cortex命名，并针对高、中、低阶分别划分为A、R、M三大处理器。象是高阶手机用的Coretex-A系列，或者是微控制器所使用的Coretex-M系列，需要较高性能、或是实时处理的系统则改用Coretex-R系列。

除了Cortex-M0、Cortex-M1为ARMv6-M，冯?纽曼架构之外，其他Cortex的处理器架构更新到ARMv7，一样由高至低分成ARMv7-A、ARMv7-R、ARMv7-M三种，其中ARMv7-M不支援最原始的ARM指令集，仅支援16bit的Thumb指令集，却加入NVIC（Nested Vectored Interrupt Controller），提供更快的中断处理、还有负责CPU在深层睡眠时的中断处理WIC（Wake-up Interrupt Controller）。

Cortex-A（ARMv7-A）和 Coretex-R（ARMv7-R）2种架构基本上是相同的，都支援更新的进阶型SIMD处理，称为NEON，ARM宣称效能至少是上一代处理器架构ARMv6的2倍。NVIDIA的Tegra 2处理器较为特殊，虽是采用Cortex-A的CPU，但没有包含NEON，反而使用自家的技术，内建专门的音讯处理器和视讯处理器。

Cortex-A和 Coretex-R最大的差异在于存储器管理单元部分，Cortex-A使用MMU（memory management unit）、Cortex-R使用MPU（memory protection unit）。前者的存储器管理单元提供虚拟存储器的支援，后者只能运作在存储器保护模式。

7.2. 存储器管理：real、protected、virtual

最初的CPU存储器管理只有real mode，在这个模式下，所有程序都可以直接存取存储器、I/O、计算机附加的硬件。但是在这种模式下的存储器空间少（1MB），程序无法多工（如果2个程序同时喂给打印机资料，印出来会是什么鬼啊！）。到了80286处理器后，导入了protected mode，将作业系统和程序的存储器区块分开，如果程序想要存取存储器，必须经由作业系统中介。从而提升系统安全性和稳定性。virtual memory则是在protected mode下的产物，允许硬盘之类非实体存储器的装置能够模拟成存储器。逻辑上来说，可以在不增加硬件花费的情况下，直接加大实体存储器容量。但硬盘的存取速度却远不如实体存储器，目前SATA 6Gb/s界面频宽为6Gb/s，DDR3-1600双通道的界面频宽却有25.6GB/s，两者相差约43倍。

8. 遍地开花的ARM

ARM一开始与苹果、VLSI所投资的资金下成立，初期营运状况不佳，而英国当地也没有什么晶圆厂，同时ARM也决心将自行发展的技术成为业界的标准。在这些条件的加总之下，ARM选择了以IP授权的方式经营。

IP（intellectual property智慧财产权）授权，即是把自己所创造的东西，以某种方式授权给其他人利用。例如我们在行人穿越线两旁所看到的小绿人走路灯号，当初的设计者便可以把此种想法授权给其它地区采用，借以收取授权费。而ARM也是透过此种方式营利，除了一开始的授权费之外，每卖出一颗芯片还需要付版权费。另一家较为知名采用IP授权营利的公司为MIPS，其产品常常可以在网络设备中见到。

这种授权方式使得每家公司都可以依据自身需求，设计出客制化芯片。比如说产品并不需要绘图的部分，便可以把绘图IP核心拿掉，亦或者也可以在芯片里塞入其他家厂商做出的IP核心，让功能更多元。相较于Intel近年强迫中奖的显示核心，ARM的作法弹性许多。

▲常见的ARM授权制造模式，ARM将设计授权给设计公司（如Qualcomm），制造授权给晶圆代工公司（如台积电），最后生产出来的芯片再卖给其他厂商做成实际产品（如HTC）。

▲众多的合作伙伴，这些公司都有ARM的IP授权，你能找出哪几个较令人熟悉的牌子呢？

9. 未来朝向64bit迈进

如同 x86迈向x64一般，ARM也需要更大的总线来增加效能。在下一代的ARMv8架构中，也将加入64bit的支援，但是一切都还在讨论中。但是现在也不急，暂时还有个Coretex-A15可以拿来填一下发展时程，至于会增加哪些指令集则尚未确定。

ARMv8处理器将有2个执行状态，AArch32和AArch64。前者将完全兼容ARMv7的指令集及架构，将原封不动地移植到ARMv8身上。后者AArch64则是全新的指令集与处理器架构。

ARM目前也在积极建立并等待64bit的生态链完备，就如同x86转换到x64一般，AMD的64位元处理器早在2003年问世，但是等到64位元作业系统、程序真正普及，却也只是近几年的事情而已。更别说一般人计算机C槽里那个Program Files x86资料夹，放在里面的程序应该比Program Files还要多。

最近开始身价上涨的硬件加解密功能，ARM也预计加入AES加解密的指令，利用进阶SIMD的128bit暂存器来实作，SHA-1和SHA-256也在支援中。

9.1. AES算法

Advanced Encryption Standard高级加密算法，是一种用来进行区块加密（将数值资料切割成等长，分别对个别区段分别加密）的技术，用以取代Data Encryption Standard（DES）的加密方式，目前DES已被SciEngines公司所制造的COPACOBANA RIVYERA硬件证实能够在1天的时间内被暴力破解完毕。

9.2. SHA算法

Secure Hash Algorithm安全杂凑算法，不同的资料数值，经过特定算法所运算出来的SHA值也不同，这个固定长度的值可视为这个资料的指纹，具有专一性。目前SHA算法用来检查档案完整性与否，是否经过有心人士的篡改；也用来检查从网络上下载回来的档案是否正确，特别是那些动辄几GB的档案。