2020 這一年的大部分時(shí)間，都有是新聞和悲慘事件在無情地打擊著我們，讓人感覺無法繼續(xù)。但大部分人還是堅(jiān)持了下來，而我們做到這一點(diǎn)的方式是使用我們隨時(shí)隨身攜帶的小型手持式計(jì)算機(jī)。目前，我們?nèi)匀粚⑦@種設(shè)備稱為「phone（電話）」，這其實(shí)是一種簡化得可笑的名稱。

　　幸運(yùn)的是，在我們這些不斷刷壞新聞的人的眼前，有一個(gè)振奮人心的故事：用來刷這些新聞的手機(jī)，以及我們相當(dāng)多的數(shù)字活動(dòng)都發(fā)生在同一種裝置上，即 ARM 系列 CPU。隨著蘋果公司推出基于全新 M1 CPU（ARM 架構(gòu)處理器）的 Mac 系列產(chǎn)品并廣受好評(píng)，現(xiàn)在是時(shí)候談?wù)勥@些已然控制世界的芯片的來源了。

　　如果你正在寫一部基于現(xiàn)實(shí)故事的劇本，由于某某原因，你必須說明大多數(shù)手機(jī)、游戲機(jī)、ATM 和無數(shù)其它設(shè)備中最常用的中央處理器是什么，而你必須從當(dāng)前的主要生產(chǎn)商（比如英特爾）中選擇一個(gè)。在你描繪的世界中書寫這類事物是合理且適宜的，因?yàn)槿藗兡軌蚶斫?。如果某個(gè)行業(yè)巨頭已經(jīng)確立市場(chǎng)主導(dǎo)地位，那么將其寫入故事就不會(huì)讓看故事的人感到怪異或生疏。

　　但是，如果你決定將這些 CPU 都?xì)w功于一家?guī)缀醪粸槿酥墓?，而且這家公司還位于一個(gè)通常不被認(rèn)為是高科技創(chuàng)新全球領(lǐng)導(dǎo)者的國家？而如果這類 CPU 的存在至少間接上要?dú)w功于一檔教育類電視節(jié)目呢？如果你寫出了這樣的劇本，制片人有可能讓你將劇本回爐重造：認(rèn)真點(diǎn)，好不好？

　　然而在某種程度上講，事實(shí)就是如此。

　　故事要從一檔電視節(jié)目講起

　　ARM 處理器控制著全世界超過 1300 億臺(tái)設(shè)備。如果沒有它，就沒有如今的現(xiàn)代生活。但是，ARM 處理器的起源故事卻相當(dāng)古怪。在其發(fā)展旅程中，充滿了看似糟糕的運(yùn)氣轉(zhuǎn)而變成了關(guān)鍵機(jī)遇的事件；其出人意料的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在某些設(shè)備上一開始的應(yīng)用卻遭遇慘敗，而最終被證明是至關(guān)重要的。

　　但是，讓這一切變化起來的卻是一檔電視節(jié)目——BBC 在 1982 年播出的《計(jì)算機(jī)程序（The Computer Programme）》。這是 BBC 的一檔科普節(jié)目，旨在告知當(dāng)時(shí)的英國人這些花哨的新式機(jī)器究竟是什么，那時(shí)候的個(gè)人電腦看起來就像是連接著電視機(jī)的蹩腳打字機(jī)。

　　這檔節(jié)目是英國政府和 BBC 共同發(fā)起的「計(jì)算機(jī)素養(yǎng)項(xiàng)目（Computer Literacy Project）」的一部分，它們擔(dān)心英國對(duì)當(dāng)時(shí)正在美國發(fā)生的個(gè)人計(jì)算革命毫無警覺和準(zhǔn)備。不同于大多數(shù)電視節(jié)目，BBC 希望在節(jié)目中配備一臺(tái)計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)將用于解釋基本的計(jì)算概念并教授一些 BASIC 編程。這些計(jì)算概念包括圖形和聲音、連接到圖文網(wǎng)絡(luò)的能力、語音合成乃至一些基礎(chǔ)的人工智能。也因此，該節(jié)目所需的計(jì)算機(jī)必須相當(dāng)好才行，以致于市面上根本就沒有能實(shí)現(xiàn) BBC 的愿望的產(chǎn)品，無法滿足制片人的要求。

　　因此，BBC 向英國計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)界發(fā)出了呼吁。當(dāng)時(shí)主導(dǎo)英國計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的公司是 Sinclair——一家靠計(jì)算器和小型電視機(jī)發(fā)家的公司。但最終，一家更小卻雄心勃勃的初創(chuàng)公司獲得了這份利潤豐富的合同：Acorn Computers.

　　Acorn 的發(fā)展

　　Acorn 是一家位于劍橋的公司，在開發(fā)了原本是為運(yùn)行水果機(jī)（fruit machine）的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)后創(chuàng)立于 1979 年。水果機(jī)在美國稱為 slot machine，即老虎機(jī) / 賭博機(jī)。之后，Acorn 將這款計(jì)算機(jī)系統(tǒng)變成了一款小型的愛好者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其使用了 6502 個(gè)處理器。這個(gè) CPU 與 Apple II、Atari 2600、Commodore 64 等許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所用的 CPU 屬于同一 CPU 系列（這種 CPU 設(shè)計(jì)將會(huì)變得很重要，所以請(qǐng)不要忘記它。

　　Acorn 當(dāng)時(shí)已經(jīng)開發(fā)了一款家用計(jì)算機(jī) Atom，當(dāng) BBC 伸出橄欖枝時(shí)，他們開始計(jì)劃開發(fā) Atom 的后續(xù)版本，也就是后來名為 BBC Micro 的產(chǎn)品。

　　BBC 的要求讓所得到的機(jī)器成為那個(gè)時(shí)代頗為強(qiáng)大的機(jī)器，但其實(shí)并沒有 Acorn 原本的 Atom 后繼版設(shè)計(jì)那么強(qiáng)大。原本的 Atom 后繼版會(huì)有兩個(gè) CPU：一個(gè)已經(jīng)過檢驗(yàn)的 6502 和一個(gè)尚待決定的 16 位 CPU。

　　Acorn 后來放棄了那款 CPU，但保留了一個(gè)名為 Tube 的接口系統(tǒng)，這讓機(jī)器可以連接更多額外的 CPU（后來也變得很重要）。

　　BBC Micro 的工程開發(fā)著實(shí)推進(jìn)了 Acorn 的極限能力，因?yàn)槟鞘悄莻€(gè)時(shí)代相當(dāng)前沿的計(jì)算機(jī)。這其中涉及到一些非常出彩的設(shè)計(jì)決策——這些決策雖然當(dāng)時(shí)還不成熟，但已經(jīng)可行了，比如使用一個(gè)電阻器組讓工程師必須將自己的手指重新放到主板上對(duì)應(yīng)的位置上才能讓機(jī)器開始工作。

　　當(dāng)時(shí)沒人知道為什么只有當(dāng)一根手指放到主板上的某個(gè)特定點(diǎn)時(shí)機(jī)器才會(huì)工作，但當(dāng)他們想辦法實(shí)現(xiàn)用電阻器模仿手指觸碰后，他們很滿意機(jī)器能夠工作，然后繼續(xù)在其上研發(fā)。

　　事實(shí)證明，BBC Micro 是 Acorn 取得的一大成功，這款產(chǎn)品成了 1980 年代英國主要的教育用計(jì)算機(jī)。

　　讀到這里的人可能都知道，在計(jì)算歷史上，1980 年代是一段非常重要的時(shí)期。IBM 的 PC 于 1981 年推出，為后來幾十年的個(gè)人計(jì)算設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)。1983 年，蘋果公司推出了 Mac 時(shí)代前的產(chǎn)品 Apple Lisa。至此，窗口 - 圖標(biāo) - 鼠標(biāo)式的圖形用戶界面主宰個(gè)人計(jì)算的革命開始了。

　　Acorn 看到了這些進(jìn)展并且意識(shí)到如果他們希望保持競(jìng)爭(zhēng)力，他們需要比可靠但逐漸過時(shí)的 6502 更強(qiáng)大的處理器來驅(qū)動(dòng)未來的計(jì)算機(jī)。Acorn 實(shí)驗(yàn)了大量 16 位 CPU：6502 的 16 位變體版本 65816、Apple Macintosh 使用的 Motorola 68000、相對(duì)罕見的 National Semiconductor 32016。

　　它們都不能滿足 Acorn 的要求，因此 Acorn 聯(lián)系了英特爾，看能否將 Intel 80286 CPU 實(shí)現(xiàn)到他們的新架構(gòu)中。英特爾完全沒有搭理他們。

　　RISC 相關(guān)業(yè)務(wù)

　　此處劇透一下：事實(shí)將證明這對(duì)英特爾來說是一個(gè)非常糟糕的決定。

　　Acorn 后來做出了改變命運(yùn)的決定：設(shè)計(jì)自己的 CPU。受 Western Design Center（該公司當(dāng)時(shí)正在開發(fā) 6502 的新版本）的精益運(yùn)營（lean operation）模式的啟發(fā)，且研究了一類名為精簡指令集計(jì)算（RISC）的新型處理器設(shè)計(jì)概念后，Acorn 決定采取行動(dòng)，工程師 Steve Furber 和 Sophie Wilson 是這一項(xiàng)目的核心成員。

　　現(xiàn)在，RISC 處理器相對(duì)應(yīng)的是復(fù)雜指令集計(jì)算（CISC 處理器）。下面非常簡單地解釋一下這兩個(gè)概念究竟是什么意思：

　　CPU 都有一組可以執(zhí)行的運(yùn)算——它們的指令集。CISC CPU 的指令集非常龐大和復(fù)雜，讓它們能在 CPU 的多個(gè)「時(shí)鐘周期」內(nèi)執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)。這意味著其復(fù)雜性實(shí)際上被內(nèi)置到了芯片硬件本身之中，這就意味著軟件代碼可以簡單一點(diǎn)。因此，CISC 機(jī)器的代碼可以減少指令數(shù)量，但這種 CPU 用來執(zhí)行這些指令的周期數(shù)量會(huì)增大。

　　你可能已經(jīng)猜到，RISC 則相反：芯片本身的指令和硬件更少，而且每個(gè)指令都可以在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢。由此造成的結(jié)果是代碼更長，因此看起來似乎效率更低，這又意味著需要更大的內(nèi)存，但芯片本身卻更簡單了，因此能更快地執(zhí)行簡單的指令。

　　Acorn 非常適合設(shè)計(jì)一款 RISC CPU，因?yàn)樗麄冎白钍煜さ男酒?6502 就常被認(rèn)為是 RISC 的一種原型設(shè)計(jì)?；ヂ?lián)網(wǎng)上對(duì)此有很多看法（不可避免的），這里也無意與任何人爭(zhēng)辯，但至少可以說 6502 有類似 RISC 的一些特質(zhì)。

　　這款新芯片是如此的 RISC，可以說 Sophie Wilson 在為 Acorn 的新處理器設(shè)計(jì)指令集時(shí)，顯然受到了 6502 的多項(xiàng)設(shè)計(jì)概念的直接啟發(fā)。

《Archimedes 高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》手冊(cè)封面

　　使用 BBC Micro 的 Tube 接口作為測(cè)試平臺(tái)，Acorn 將基于 RISC 開發(fā)的新型 CPU 稱為 Acorn RISC Machine，簡稱 ARM。Acorn 的芯片生產(chǎn)供應(yīng)商 VLSI 開始為 Acorn 的內(nèi)部研發(fā)生產(chǎn) ARM CPU。不久之后，生產(chǎn)可用的 ARM2 版本研發(fā)成功。

　　1987 年，第一款基于 RISC 的生產(chǎn)級(jí)個(gè)人電腦 Acorn Archimedes 問世，其使用的正是 ARM2 CPU。事實(shí)證明，盡管這款 ARM 處理器的晶體管數(shù)量比英特爾的 286 芯片少 245 000 個(gè)，但卻具有更優(yōu)的性能。

　　事實(shí)表明，Archimedes 搭配其 ROM 中的 Arthur OS，造就了一款靈活、高速和強(qiáng)大的機(jī)器。它配備有那個(gè)時(shí)代優(yōu)良的圖形顯示、一個(gè)圖形用戶接口以及一些炫酷快速的低多邊形演示和游戲——這是為了展現(xiàn)這臺(tái)機(jī)器的速度，而這速度又要?dú)w功于其精簡的 CPU。

　　這第一款基于 ARM 的計(jì)算機(jī)宣稱是那個(gè)時(shí)代最快的個(gè)人電腦，其性能表現(xiàn)超過英特爾的 80286 好幾倍。

　　「少」即是「多」

　　ARM 更少的晶體管就能說明 ARM 本身相對(duì)簡單的特性，也因此，在同等計(jì)算性能條件下，ARM 芯片的功耗要低得多，發(fā)熱量也小得多。

　　ARM 的低功耗和低發(fā)熱特性并不在初始的設(shè)計(jì)規(guī)劃中，因?yàn)?Acorn 的目標(biāo)是為桌面計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì) CPU，但事實(shí)將會(huì)證明：這些特性是計(jì)算史中最幸運(yùn)和最有益的副產(chǎn)品。

　　這種低功耗和低發(fā)熱的特性使得 ARM 成為了移動(dòng)設(shè)備的天然選擇。正是因?yàn)檫@樣的原因，蘋果公司在 1980 年代末開始尋找一種足夠強(qiáng)大、同時(shí)又能用 AA 電池驅(qū)動(dòng)且不會(huì)把手燒痛的 CPU。蘋果公司希望這款 CPU 能強(qiáng)大到可把手寫文本轉(zhuǎn)譯成計(jì)算機(jī)文本并還能運(yùn)行 GPU，這在當(dāng)時(shí)有點(diǎn)異想天開。蘋果希望驅(qū)動(dòng)的手持式設(shè)備是臭名昭著的 Newton，而只有快速和精簡的 ARM 核能夠驅(qū)動(dòng)它。

　　蘋果和 Acorn 的芯片合作商 VLSI 與 Acorn 一起合作，將 ARM 部門拆分出去建立了一家名為 Advanced RISC Machines 的新公司，這讓 ARM 這個(gè)簡寫形式保留了下來。在這一聯(lián)盟下，加上蘋果公司可觀的資源注入，ARM 開發(fā)出了 ARM6 核以及基于該核的首款生產(chǎn)級(jí)芯片 ARM610 CPU。這款芯片的 20 MHz 版本成了驅(qū)動(dòng) 1993 年的 Apple Newton 的處理器。

　　雖然 Newton 壯烈慘敗，但事后來看，這款產(chǎn)品的意味卻要深遠(yuǎn)得多：由 ARM CPU 驅(qū)動(dòng)的手持式電池驅(qū)動(dòng)型觸屏設(shè)備?，F(xiàn)在，全世界數(shù)十億臺(tái)智能手機(jī)都符合這一描述。而在大多數(shù)人的印象中，其第一次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是在《辛普森一家》的劇集中，其中 Newton 將手寫的「Beat up Martin」識(shí)別成了「Eat up Martha」。

《辛普森一家》中描繪的 Apple Newton

　　ARM610 后來繼續(xù)驅(qū)動(dòng)著新一代 Acorn Archimedes 計(jì)算機(jī)和一款基于 Newton 的怪異筆記本電腦 eMate。2001 年，ARM7 內(nèi)核的 CPU 被用在了蘋果的 iPod 和任天堂的 Game Boy Advance 中。2004 年任天堂推出的雙屏游戲機(jī) Nintendo DS 使用了兩個(gè) ARM 處理器。

　　然后到了 2007 年，蘋果推出了第一代 iPhone，其處理器為 ARM11 內(nèi)核的 CPU。自那以后，ARM 開始大肆擴(kuò)張。

　　ARM CPU 變成了智能手機(jī)的默認(rèn)選擇——不管是蘋果手機(jī)還是其它公司的產(chǎn)品。不管是臺(tái)式機(jī)還是筆記本還是服務(wù)器，只要使用的不是英特爾芯片，那么就必然使用了 ARM CPU?，F(xiàn)在，有了 ARM Chromebook 和蘋果的 MacOS 新款 ARM 臺(tái)式機(jī)和筆記本，ARM 似乎最終又回到了自己的起點(diǎn)——桌面計(jì)算機(jī)。

　　多年以后，ARM 的起源故事仍然值得講述，因?yàn)樗怯梢幌盗胁豢赡?、奇怪、毫無規(guī)劃的事件串聯(lián)而成的，而且還涉及到看似不可能的來源。盡管 ARM 無疑已經(jīng)主導(dǎo)了今天的世界，但比英特爾 / AMD 那種帶給人的行業(yè)巨獸般的感覺，ARM 微末的開端使其看起來就像是一個(gè)毫無感覺的龐然大物。

　　花點(diǎn)時(shí)間回頭思考一下：

　　因?yàn)橛擞X得自己在計(jì)算機(jī)革命中落后了，于是他們決定制作有關(guān)計(jì)算機(jī)的電視節(jié)目。為了做這個(gè)節(jié)目，他們需要一臺(tái)計(jì)算機(jī)，因此一家英國小公司設(shè)計(jì)了一種很好的計(jì)算機(jī)。而當(dāng)這家小公司需要制造更快的 CPU 時(shí)，由于英特爾不愿意搭理他們，所以他們做出了自己的 CPU。這種內(nèi)部設(shè)計(jì)的 CPU 剛好又低功耗且發(fā)熱少，于是得到了蘋果公司的注意，然后將其用在了大多數(shù)人認(rèn)為是蘋果的最大失敗的產(chǎn)品中。當(dāng)然，自那以后，這家公司開始走向占領(lǐng)世界之路。

　　如果這是我編的，你會(huì)說我設(shè)計(jì)的橋段過于古怪或?qū)嵲谔嗔?，就像是韋斯 · 安德森（Wes Anderson）導(dǎo)演的電影。但這其實(shí)是現(xiàn)實(shí)故事。

　　但是，如果現(xiàn)實(shí)是一場(chǎng)模擬，我敢打賭那也是由 ARM 驅(qū)動(dòng)的。