ARM发展史（一）：首颗芯片的诞生

1983年，英国 Acorn Computers 公司的一个不足10人的小团队，为应对个人电脑市场的变化和现有处理器的局限性，着手自主研发CPU。他们采用了精简指令集（RISC）设计理念，创造出指令更少、效率更高且功耗极低的 Acorn RISC Machine (ARM) 处理器。尽管首款搭载该芯片的 Acorn Archimedes 电脑在商业上未获巨大成功，但这款处理器的诞生，凭借其卓越的设计和意外获得的超低功耗特性，为未来计算领域的发展奠定了关键基础。

困境与机遇

1983年，Acorn Computers 公司凭借其为英国广播公司（BBC）定制的 BBC Micro 电脑而声名鹊起。然而，个人电脑市场正迅速变化，来自IBM和苹果等公司的更强大机型带来了巨大竞争压力。Acorn 需要一款性能更强的处理器来保持竞争力。

设计师 Sophie Wilson 和 Steve Furber 考察了当时市面上的16位处理器，如英特尔的 80286 和摩托罗拉的 68000，但都无法满足他们的要求。

“我们能看到所有这些处理器能做什么，以及它们做不到什么……它们没有充分利用内存系统，速度不快，也不易于使用。” —— Sophie Wilson

在一次考察中，他们发现设计出广受欢迎的 6502 处理器的公司规模非常小，这让他们意识到，即使是 Acorn 这样的小公司，自主研发 CPU 也是完全可能的。

拥抱 RISC 架构

在公司联合创始人 Hermann Hauser 的支持下，团队开始研究 IBM 关于 RISC（精简指令集计算） 的论文。与当时主流的 CISC（复杂指令集计算） 相比，RISC 架构的核心思想是大幅简化 CPU 的内部设计。

    • 更少的指令： Sophie Wilson 设计的初代 ARM 指令集只有 45条 指令，而同期的英特尔 80286 有 357条。
    • “加载-存储”架构： RISC 芯片的运算指令只针对内部寄存器操作，需要额外的指令将数据在寄存器和外部内存之间移动。
    • 更高的效率： 虽然完成同样任务需要更多指令，但简化的设计使得每条指令都能在 一个时钟周期 内完成，并能以更高的时钟频率运行，同时更容易实现“流水线”操作，进一步提升了处理效率。
    • 未来的考量： 尽管 RISC 程序占用更多内存，但当时内存价格正迅速下降，这使得内存占用不再是主要障碍。团队还决定直接开发 32位 架构，以简化内部设计并为未来做准备。

这个新项目最终被命名为 Acorn RISC Machine，简称 ARM。

ARM 芯片的诞生

经过18个月的紧张开发，团队在将设计送去生产前进行了大量模拟测试，以节约成本。他们甚至在 BBC Micro 上用 BASIC 语言编写了一个 ARM CPU 的模拟器。

1985年4月26日，第一批芯片样品送达 Acorn。Sophie Wilson 将其插入 BBC Micro 的扩展槽，运行了移植好的 BASIC 版本，屏幕上成功显示出：

"Hello World, I am ARM"

这是一个了不起的成就。这个由不足10人组成的团队，成功设计出了一款先进的32位 RISC 处理器，并且 第一次流片就完美运行。相比之下，同期的竞争对手仍在修复其处理器的各种设计缺陷。

初代 ARM 的惊人特性

    • 极致简约： 初代 ARM 芯片仅包含 27,000个 晶体管，而英特尔 80286 则有134,000个。
    • 卓越性能： 在基准测试中，ARM V1 的速度大约是同频率下英特尔 80286 的 10倍。
    • 意外的低功耗： 为了使用更便宜的塑料封装，团队将功耗目标设定在1瓦以下。由于设计极其保守，最终实际功耗仅为 0.1瓦。这个“完全是意外”的特性，后来成为了 ARM 成功的关键之一。

事实上，在一个早期的测试中，团队发现即使在没有接通电源的情况下，芯片仅靠从支持芯片泄漏的微弱电流就能正常工作。

从芯片到计算机

为了真正展示 ARM 的强大性能，Acorn 需要一台全新的计算机。在对初代 ARM 芯片进行升级（ARM V2，增加了硬件乘法器并将主频提升至8MHz）后，团队开发了配套的图形、I/O 和内存控制器。

1987年，搭载这套系统的 Acorn Archimedes 电脑问世。然而，由于原定的先进操作系统开发严重滞后，团队不得不在五个月内赶制出一个名为“Project Arthur”的临时操作系统。

尽管 Archimedes 电脑性能强大、定价合理（售价800英镑，远低于性能相近的麦金塔电脑），但它面临一个致命问题：缺乏软件支持。当时的市场正迅速向 IBM PC 兼容机和麦金塔两大平台靠拢，Archimedes 虽在英国获得好评，但销量惨淡。

尽管如此，Acorn 仍在继续改进，于1989年发布了更成熟的 RISC OS 操作系统和集成了4KB缓存的 ARM V3 芯片。虽然 Acorn 公司自身陷入财务困境，但 ARM 芯片的潜力已经显现，并吸引了一家来自外部的重要投资者的注意。