在当今数字时代,ARM架构已成为智能手机和平板电脑等便携设备的芯片之王。但鲜为人知的是,这一切的开端仅仅是一家资金有限的英国小公司Acorn电脑,试图在竞争激烈的个人计算机领域寻找突破口的结果。1983年,Acorn正处于辉煌的顶峰,旗下BBC Micro电脑销量迅速攀升,达到了超过120万台的惊人数字。然而,随着市场的变化,美国的IBM PC和苹果新推出的Macintosh等更强大且易用的机器逐渐抢占份额,Acorn意识到,如果不能在处理器性能上有所突破,公司未来将面临严峻挑战。面对这个局面,Acorn的设计团队,尤其是著名的工程师索菲·威尔逊和史蒂夫·弗博,开始思考如何通过定制处理器来提升计算能力。威尔逊早已为BBC Micro设计了名为"Tube"的扩展插槽,通过该插槽可以连接更强大的中央处理器,释放原CPU的负担。
于是,选用何种CPU成为关键。然而,当时市场上的16位芯片如Intel 80286、National Semiconductor 32016和摩托罗拉68000均未能完全满足团队的需求。这些芯片存在诸多缺陷,使用效率不高,内存系统利用不理想,且速度和编程便捷性不足。威尔逊表示,她希望新处理器在运行高级语言时也能与低级机器语言相媲美。传统的复杂指令集(CISC)设计给芯片带来了不必要的冗余和复杂性。考虑到这些因素,威尔逊和弗博决定深入学习一项前沿理念 - - 简化指令集计算机(RISC)。
RISC主张大幅度减少指令数量,令CPU内部结构简洁且执行速度提升。通过采用这种架构,芯片不仅能以更高频率运行,还能实现指令流水线,令多条指令交错处理,提高整体效率。Acorn管理层对这项探索给予了坚定支持,甚至将IBM的研究论文分享给团队。为了实现这个目标,威尔逊和弗博走访了美国不同的芯片设计机构,包括拥有高度自动化设备的National Semiconductor以色列工厂,以及规模较小、设备简陋的Western Design Center。后者的低调态度让他们产生了更多信心,认为小团队同样可以设计出高效的CPU。于是,在不足10人的核心团队协作下,首枚ARM芯片开始了长达18个月的设计之旅。
威尔逊专注于指令集架构,弗博则负责芯片布局设计,他们采用精简的加载存储架构,将指令数量限制在45条以内,远少于80286的357条指令。此外,芯片采用了32位设计,突破了当时16位架构的局限,既简化了芯片结构,也方便了内存地址的访问。开发初期,团队利用BBC Micro上的解释型BASIC编写了模拟器,虽然运行缓慢,但成功验证了其指令集的可行性和设计理念。随着模拟器性能提升,团队移植了BBC BASIC语言至ARM平台并顺利运行,这令开发者信心大增。1985年4月,经过无数次的测试和优化,首批ARM芯片从美国的VLSI技术工厂送回Acorn。威尔逊将其插入BBC Micro的Tube插槽,运行测试程序,芯片回应"Hello World, I am ARM"。
这标志着ARM正式迈入实物阶段。首代ARM芯片仅拥有27000个晶体管,制造工艺为3微米,与当时的80286相比大大简化(后者拥有134000个晶体管)。这份简洁成为其高效的根基。虽然缺乏缓存、硬件乘除法和浮点运算单元,但芯片凭借6MHz的运行频率,性能已远超同期的竞争对手。更令人惊奇的是,ARM芯片的功耗低至0.1瓦特,原本只是为了防止塑料封装过热的保守设计,却意外发现其极低的电力消耗,这为日后便携设备的普及奠定物理基础。然而,技术上的成功并未直接转化为市场得利。
1985年,BBC Micro的销量开始下滑,Acorn被迫被意大利奥利维蒂公司控股。虽推出配备ARM芯片的开发板,受众却仅限于BBC Micro现有用户。为充分展示ARM芯片的强大威力,Acorn开发了升级版ARM V2,内置乘法器并支持协处理器,且工艺缩小至2微米,使主频提升至8MHz。同时,团队设计了图形控制器、输入/输出控制芯片和内存控制器,组成完整的系统平台,并推出了搭载该平台的Acorn Archimedes计算机。Archimedes于1987年首次亮相,售价约800英镑,相比当年售价高昂的Macintosh II具有极高的性价比。尽管硬件性能不俗,Archimedes的软件生态尚未成熟,缺少像Microsoft Word、Excel等主流应用,且其原计划的先进操作系统ARX开发迟缓,最终被临时方案"Project Arthur"取代。
Archimedes因未能摆脱软件短板,市场份额有限,但赢得不少用户的尊重和狂热拥护。随后,Acorn不断改进ARM芯片,V3版本引入内置一级缓存,工艺缩小到1.5微米,主频达到25MHz,性能与能效进一步提升。尽管如此,Acorn资源有限,团队对更深入的突破抱有期望,却难以自主实现。正是在这一关键时刻,苹果公司代表的出现为ARM团队带来了新的投资和视野。ARM的发展故事,是一个小团队凭借创新精神和技术坚韧,挑战传统巨头,创造超出预期成果的传奇。简洁的设计理念、对高效指令集的深刻理解,以及严格的测试验证流程,使得ARM芯片能在第一次设计中即成功投产。
它不仅重新定义了CPU设计,也为智能终端低功耗处理树立了标杆。今天,ARM架构芯片遍布世界各地,驱动着数十亿设备,其中的根基源自Acorn时代那段充满激情与智慧的创业历程。回顾ARM头颗芯片的诞生,不仅是对计算机历史的重要致敬,更为当代芯片设计者提供了宝贵的经验与启示。未来,随着技术不断演进,ARM的传奇必将继续书写新的篇章。 。
