Arm的故事：一家小型英國(guó)公司如何開(kāi)發(fā)新的RISC架構(gòu)

20 世紀(jì) 80 年代中期一個(gè)漆黑寒冷的夜晚，一位年輕的學(xué)生穿過(guò)英國(guó)劍橋古老的街道，來(lái)到一座維多利亞時(shí)代的演講廳。一進(jìn)大樓，他就和其他幾十名學(xué)生一起聽(tīng)了一場(chǎng)關(guān)于新電腦硬件的演講。

發(fā)表演講的人為 BBC 微型計(jì)算機(jī)的制造商 Acorn Computers 工作。他的演講令人吃驚。Acorn 需要更換 BBC micro 中使用的老化的 8 位 6502 微處理器。他們看過(guò)英特爾和摩托羅拉等美國(guó)公司的新設(shè)計(jì)，但并不喜歡，所以他們自己設(shè)計(jì)了一個(gè)新處理器。

對(duì)于一家沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的公司來(lái)說(shuō)，從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)微處理器似乎很大膽。接下來(lái)的事情更加引人注目。Acorn 設(shè)計(jì)的芯片是 32 位的，而不像競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手那樣是 16 位的。它不僅速度更快，而且耗電量也少得多。

那個(gè)學(xué)生就是我。新的微處理器是第一臺(tái) Acorn RISC 機(jī)器，這是我們現(xiàn)在稱為 Arm 的一系列設(shè)計(jì)中的第一個(gè)。那天晚上有很多事情我的記憶已經(jīng)消失了。我認(rèn)為主持人是 Steve Furber，但我有點(diǎn)不確定。我不相信那天晚上有新系統(tǒng)的演示。我確實(shí)記得對(duì) Acorn 的新微處理器感到驚訝、印象深刻并且有些懷疑。

快進(jìn)將近四十年，我們現(xiàn)在已經(jīng)不知道故事是如何發(fā)生的，而Arm 處理器設(shè)計(jì)現(xiàn)已用于全球數(shù)千億臺(tái)設(shè)備。

在本系列文章中，我將重溫 Arm 的故事，從它在 Acorn 中的起源開(kāi)始。因?yàn)橛泻芏嚓P(guān)于這個(gè)故事的優(yōu)秀和廣泛的描述，所以最初我有點(diǎn)不愿意寫(xiě) Arm 的早期故事，但最后我覺(jué)得這個(gè)故事的有幾個(gè)方面值得更多關(guān)注。但最后我覺(jué)得這個(gè)故事的幾個(gè)方面值得更多關(guān)注。我希望，即使您熟悉 Arm 的故事，您也會(huì)發(fā)現(xiàn)一些新的興趣點(diǎn)。

在這一系列的故事中，我們將尋求回答一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。為什么這種來(lái)自一家最終失敗的小型英國(guó)公司的架構(gòu)變得如此重要，并且能夠在更大的競(jìng)爭(zhēng)中生存和繁榮？

那么，讓我們一起穿越到70年代后期英國(guó)古老的大學(xué)城劍橋。

劍橋處理器單元

這一切都始于克萊夫·辛克萊 (Clive Sinclair)：一位富有遠(yuǎn)見(jiàn)、熱衷于發(fā)明新玩意兒的發(fā)明家，同時(shí)也是一位成功的商人。

辛克萊在 1960 年代初期開(kāi)始了他的職業(yè)生涯，為電子愛(ài)好者撰寫(xiě)技術(shù)指南。他很快開(kāi)始銷(xiāo)售各種電子產(chǎn)品，從收音機(jī)到計(jì)算器，再到數(shù)字手表。

1978 年，辛克萊與一個(gè)員工克里斯·庫(kù)里（Chris Curry） 合作，推出了基于 National Semiconductor SC/MP 8 位微處理器的計(jì)算機(jī)套件 MK14。當(dāng)辛克萊不愿進(jìn)一步開(kāi)發(fā) MK14 時(shí)，庫(kù)里與大學(xué)物理學(xué)研究生赫爾曼·豪瑟合作，后者也對(duì) MK14 產(chǎn)生了興趣。

豪瑟出生于奧地利，在離開(kāi)去劍橋攻讀博士學(xué)位之前，他在維也納獲得了第一個(gè)學(xué)位。豪瑟遇到了克里斯·庫(kù)里，后者分享了他對(duì)微處理器的熱情，并說(shuō)服這位奧地利人與他一起創(chuàng)辦一家公司，以制造基于微處理器的產(chǎn)品。

新公司最初被稱為（有點(diǎn)像預(yù)言）Cambridge Processor Unit Limited（或 CPU Ltd）。他們還需要一個(gè)商標(biāo)名稱，并希望這個(gè)名稱能夠讓他們?cè)趶V告和電話通訊錄中領(lǐng)先于 Apple。Acorn 似乎適合一家想要發(fā)展壯大的公司，因此“Acorn Computers”誕生了。

1980 年代，赫爾曼·豪瑟 (Hermann Hauser) 和克里斯·庫(kù)里 (Chris Curry) 在劍橋國(guó)王學(xué)院的操場(chǎng)

劍橋大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室的安迪·霍珀（Andy Hopper）很快加入了庫(kù)里和豪瑟的行列，收購(gòu)了他的公司 Orbis，該公司當(dāng)時(shí)正在將 Cambridge Ring 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（早期的專有以太網(wǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手）商業(yè)化。霍珀成為 CPU / Acorn 的董事，同時(shí)繼續(xù)他在大學(xué)的工作。

很快，他們雇用了大學(xué)里的幾個(gè)聰明的年輕學(xué)生，史蒂夫·弗伯和索菲·威爾遜。弗伯來(lái)自英國(guó)曼徹斯特，正在攻讀空氣動(dòng)力學(xué)博士學(xué)位。他加入了劍橋大學(xué)微處理器組，這個(gè)協(xié)會(huì)主要為了喜歡制造計(jì)算機(jī)的人而設(shè)，并且已經(jīng)使用 Signetics 2650 微處理器制造了一臺(tái)機(jī)器。當(dāng)初，參加了協(xié)會(huì)的會(huì)議，并且邀請(qǐng)史蒂夫·弗伯來(lái)?yè)?dān)任兼職。

威爾遜也來(lái)自英格蘭北部，在約克郡的利茲長(zhǎng)大。豪瑟通過(guò)劍橋大學(xué)微處理器小組認(rèn)識(shí)了他，因?yàn)樗诘凸碾娮宇I(lǐng)域具有專業(yè)知識(shí)，因?yàn)楹郎胍圃煲粋€(gè)“電子錢(qián)包”，現(xiàn)在被稱為“個(gè)人數(shù)字助理”。威爾遜分享了她一直在研究的其他設(shè)計(jì)，包括基于單板微處理器的計(jì)算機(jī)。很快，威爾遜在完成大學(xué)學(xué)位的同時(shí)也為 Acorn 工作。

帶有 Acorn 標(biāo)志的 Acorn System 1

他們一起將威爾遜的單板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)為 Acorn System 1。隨后是 Acorn System 2 和 Acorn Atom，這次是一個(gè)帶鍵盤(pán)的完整系統(tǒng)，所有這些都基于 MOS Technology 6502 微處理器。

然后在 1981 年，BBC 開(kāi)始尋找微型計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)來(lái)配合新的電視劇。BBC 已經(jīng)通過(guò)其 1978 年首次播出的節(jié)目“Now the chips are down”開(kāi)始了一場(chǎng)關(guān)于計(jì)算影響的全國(guó)性辯論?，F(xiàn)在，在英國(guó)政府的支持下，BBC 的新系列節(jié)目將重點(diǎn)關(guān)注計(jì)算機(jī)知識(shí)。Acorn 出價(jià)，提出了團(tuán)隊(duì)在幾天內(nèi)完成的設(shè)計(jì)，與其他幾家公司競(jìng)爭(zhēng)，包括庫(kù)里的前任老板 Clive Sinclair 的 Sinclair Research。Acorn 贏了，Sinclair 很生氣，很快就推出了他自己的 ZX Spectrum，雖然不那么復(fù)雜，但價(jià)格便宜得多。

BBC 競(jìng)賽的獲勝者，最初在 Acorn 中被稱為“Proton”，后來(lái)成為“BBC Micro”或親切地稱為“Beeb”。Acorn 和 Sinclair 機(jī)器很快在英國(guó)個(gè)人電腦市場(chǎng)上大獲成功，BBC Micro 在學(xué)校處于領(lǐng)先地位，而 ZX Spectrum 在家庭中處于領(lǐng)先地位。Acorn 非常成功，以至于到 1983 年 9 月，該公司能夠在倫敦證券交易所上市，市值超過(guò) 1 億英鎊。

6502 的繼任者

BBC Micro 于 1981 年底推出，但不久之后弗伯和威爾遜意識(shí)到他們將面臨更新設(shè)計(jì)的問(wèn)題。它使用的 6502 微處理器于 1975 年首次推出，現(xiàn)在已經(jīng)老化，沒(méi)有明顯的繼任者。到那時(shí)，英特爾、摩托羅拉和國(guó)家半導(dǎo)體等公司出現(xiàn)了更為復(fù)雜的 16 位設(shè)計(jì)。

Acorn 團(tuán)隊(duì)觀察了這些新出現(xiàn)的 16 位微處理器的性能，并沒(méi)有留下深刻印象。BBC Micro 能夠通過(guò)所謂的“Tube”接口添加“第二個(gè)處理器”。這使團(tuán)隊(duì)能夠快速構(gòu)建電路板以支持不同的處理器，同時(shí)仍然使用 BBC Micro 進(jìn)行輸入和輸出。該團(tuán)隊(duì)比較了 6502、摩托羅拉 68000、英特爾 80186 和美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 32016 的性能，并對(duì)新設(shè)計(jì)的糟糕性能感到驚訝。引用 Steve弗伯的話來(lái)說(shuō)：

“我們已經(jīng)形成了一個(gè)堅(jiān)定的觀點(diǎn)，即計(jì)算機(jī)性能的主要決定因素是可以訪問(wèn)處理器的內(nèi)存帶寬。理論上 32016 有一個(gè)很好的指令集，而 6502 有一個(gè)原始的指令集，但如果你看一下性能，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它只是隨帶寬縮放。16 位微處理器無(wú)法使用人們放入這些機(jī)器的內(nèi)存中可用的帶寬?！?/span>

因此，他們得出結(jié)論，這些新的微處理器因浪費(fèi)了他們使用的商用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器芯片可用的存儲(chǔ)器帶寬而受到阻礙。他們對(duì)新處理器響應(yīng)中斷的速度也很不滿意，這比他們從 6502 上獲得的性能還差。

輸入 RISC

安迪·霍珀已經(jīng)意識(shí)到美國(guó)正在對(duì)一種新的處理器設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，并反過(guò)來(lái)向豪瑟介紹了這些想法。一天，豪瑟將一篇關(guān)于該主題的學(xué)術(shù)論文放在了史蒂夫·弗伯的辦公桌上。該論文討論了加州大學(xué)伯克利分校正在開(kāi)發(fā)的稱為“精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)”的概念。很快，Acorn 團(tuán)隊(duì)就閱讀了伯克利的 RISC-1 處理器以及斯坦福的 IBM 801 和 MIPS 等類似設(shè)計(jì)的論文。

他們對(duì)論文中提出的方法很感興趣，尤其是 RISC-1 論文描述了一個(gè)由一小組研究生開(kāi)發(fā)的微處理器。于是史蒂夫弗伯和威爾遜開(kāi)始開(kāi)玩笑說(shuō)也許他們可以制造自己的微處理器。1983 年夏天，威爾遜開(kāi)始草擬一個(gè)可能的 RISC 指令集。

接下來(lái)他們著手尋找更多關(guān)于微處理器設(shè)計(jì)的信息。他們前往以色列訪問(wèn) National Semiconductor，與開(kāi)發(fā) 32016 的團(tuán)隊(duì)交談。在那里，他們對(duì)構(gòu)建這種復(fù)雜 CPU 的大型團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行設(shè)計(jì)的修訂版 H 并且仍在修復(fù)錯(cuò)誤（并且需要花費(fèi)直到修訂版 K 左右，直到這些錯(cuò)誤被修復(fù)）。

他們還前往亞利桑那州，在那里 6502 的原始設(shè)計(jì)師之一 Bill Mensch 建立了西部設(shè)計(jì)中心，并正在設(shè)計(jì)他自己的 6502 擴(kuò)展版本。期望找到另一座擁有數(shù)百名工程師的大型辦公樓，他們相反，他找到了郊區(qū)的平房，而 Mensch 正在雇用使用 Apple II 計(jì)算機(jī)的學(xué)生來(lái)幫助設(shè)計(jì)。

通過(guò)美國(guó)大學(xué)或小型商業(yè)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的架構(gòu)示例，他們開(kāi)始認(rèn)為也許他們真的可以構(gòu)建自己的架構(gòu)。因此在 1983 年 10 月，Acorn 團(tuán)隊(duì)開(kāi)始認(rèn)真地開(kāi)發(fā)新的微處理器。

除了芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，沒(méi)有時(shí)間也沒(méi)有資源

豪瑟后來(lái)開(kāi)玩笑說(shuō)，他給了團(tuán)隊(duì)兩件別人不會(huì)給他們的團(tuán)隊(duì)的東西：“沒(méi)有時(shí)間，也沒(méi)有資源”。這不完全是真的，他給了他們一個(gè)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)！

Acorn 并不是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的新手：BBC Micro 包含兩個(gè)由 Acorn 設(shè)計(jì)的芯片。英國(guó)半導(dǎo)體制造商 Ferranti 提供了一種名為“Uncommitted Logic Array”（或 ULA）的產(chǎn)品，其中包含許多邏輯門(mén)，但允許公司通過(guò)指定最終金屬層進(jìn)行定制。BBC Micro 使用 ULA 進(jìn)行視頻和串行處理，以及鏈接到任何第二個(gè)處理器。

豪瑟?jiǎng)?chuàng)造了一個(gè)說(shuō)法，“未來(lái)將有兩種類型的計(jì)算機(jī)公司，一種是具有硅設(shè)計(jì)能力的，另一種是已經(jīng)死亡的?！?因此，在霍珀的鼓勵(lì)下，豪瑟招募了一個(gè)規(guī)模雖小（大約十幾人）但能力出眾的硅設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

Acorn 隨后與圣何塞公司 VLSI Technology合作。VLSI（可以恰當(dāng)?shù)胤Q為 Fairchildren 之一，因?yàn)槠渲腥粍?chuàng)始人以前曾在 Fairchild 工作）根據(jù)合同制造半導(dǎo)體以及集成電路設(shè)計(jì)工具?？蛻艨梢允褂眠@些工具來(lái)創(chuàng)建 VLSI 隨后構(gòu)建的設(shè)計(jì)。

與 Acorn 的合作并不是 VLSI Technology 第一次與計(jì)算機(jī)制造商合作。1982 年，史蒂夫·喬布斯 (Steve Jobs) 接洽他們，為喬布斯計(jì)劃中的 Macintosh 計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)和制造定制集成電路。VLSI 技術(shù)團(tuán)隊(duì)迅速交付了一個(gè)工作原型，以 Apple 工程師 Burrell Smith 的名字命名為 Integrated Burrell Machine，但其性能令人失望，因此并未在 Mac 中使用。

Acorn 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)使用 VLSI Technology 的軟件安裝在昂貴的、由摩托羅拉 68000 驅(qū)動(dòng)的 Apollo 工作站上。

因此，有了“免費(fèi)”的 VLSI 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，豪瑟和弗伯開(kāi)始著手構(gòu)建他們的微處理器。該指令集由威爾遜設(shè)計(jì)，作為第一步，他為 Basic 中的設(shè)計(jì)構(gòu)建了一個(gè)仿真器，該仿真器在具有 6502 第二處理器的 BBC Micro 上運(yùn)行。弗伯反過(guò)來(lái)采用了這個(gè)初始的指令集架構(gòu)設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一個(gè)微架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)它，兩者一起工作以隨著項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)改進(jìn)架構(gòu)。

弗伯和威爾遜的方法是務(wù)實(shí)的。他們?cè)谄渌?RISC 設(shè)計(jì)中采用了他們喜歡的東西，并省略了他們不喜歡的東西或者他們無(wú)法解決如何有效實(shí)現(xiàn)的東西。Arm 的設(shè)計(jì)并不是他們?cè)诓死?、斯坦?；?IBM 論文中看到的方法的直接復(fù)制。相反，他們采用了通用的 RISC 方法，并對(duì)其進(jìn)行了調(diào)整，添加了 Acorn 團(tuán)隊(duì)知道有用的功能。

在整個(gè)過(guò)程中，Acorn 團(tuán)隊(duì)并不相信新設(shè)計(jì)會(huì)成功。一方面，他們認(rèn)為 RISC 顯然是一個(gè)好主意，以至于一家更大的公司會(huì)采用它并用另一種基于 RISC 的設(shè)計(jì)來(lái)主導(dǎo)市場(chǎng)。另一方面，他們預(yù)計(jì)微處理器設(shè)計(jì)中一定有一些他們錯(cuò)過(guò)的問(wèn)題，并且會(huì)導(dǎo)致項(xiàng)目失敗。

ARM 1 指令集

威爾遜和弗伯談到了指令集和微架構(gòu)設(shè)計(jì)之間的緊張關(guān)系。有些東西威爾遜可能希望包括在內(nèi)，但與微體系結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)。在指令集的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，威爾遜、弗伯和豪瑟會(huì)在午餐時(shí)間前往當(dāng)?shù)氐木瓢桑懻摵娃q論設(shè)計(jì)的最新問(wèn)題。

他們開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)的三個(gè)特點(diǎn)脫穎而出。首先，他們憑借全 32 位設(shè)計(jì)超越了當(dāng)時(shí)的許多競(jìng)爭(zhēng)處理器。其次，他們專注于充分利用（非多路復(fù)用的）三十二位數(shù)據(jù)總線可以提供的內(nèi)存帶寬。最后，新處理器的尋址范圍很大，基于 26 位地址，因此允許高達(dá) 64 兆字節(jié)的內(nèi)存，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的典型容量。

他們提出的設(shè)計(jì)的其他主要特點(diǎn)包括：

• 十六個(gè) 32 位用戶可尋址寄存器（R0-R15 和 R15 是一個(gè)巧妙組合的程序計(jì)數(shù)器和標(biāo)志寄存器）。

• 另外八個(gè) 32 位寄存器可在管理員模式下訪問(wèn)，有助于支持對(duì)中斷的快速響應(yīng)。

• 一個(gè)簡(jiǎn)單的三級(jí)指令流水線。

• 指令集保持簡(jiǎn)單，符合 RISC 概念。只有 45 條指令具有五種不同的尋址模式。

• “加載-存儲(chǔ)”架構(gòu)，數(shù)據(jù)處理操作僅在寄存器上執(zhí)行，而不在內(nèi)存位置上執(zhí)行。

在為新設(shè)計(jì)取名字時(shí)，考慮到它使用了 RISC 概念，“ Acorn RISC MachineAcorn RISC Machine ”是顯而易見(jiàn)的選擇，它當(dāng)然自然地縮寫(xiě)為 ARM。

新的 ARM 處理器以 6MHz 運(yùn)行——低于 80286 或 68000 等競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品——但更高的內(nèi)存帶寬和流水線執(zhí)行足以彌補(bǔ)較慢的時(shí)鐘速度。該團(tuán)隊(duì)甚至通過(guò)使用“頁(yè)面模式”周期來(lái)提取更多帶寬，從而加快單頁(yè)內(nèi)的連續(xù)內(nèi)存訪問(wèn)，而廉價(jià)的動(dòng)態(tài) RAM 現(xiàn)在可以提供這種訪問(wèn)。

不過(guò)，威爾遜為 ISA 添加了一些新穎的功能。大多數(shù)指令都有條件執(zhí)行選項(xiàng)，這意味著它們將根據(jù)特定標(biāo)志的狀態(tài)執(zhí)行或跳過(guò)。

該架構(gòu)還包括一個(gè)“桶形移位器”。到目前為止，威爾遜和弗伯已經(jīng)看到了 Apple Lisa（1983 年 1 月推出）和 Macintosh（1984 年 1 月推出），并且知道圖形用戶界面 (GUI) 可能是未來(lái)前沿機(jī)器的關(guān)鍵要求。桶形移位器將使新的 Acorn 設(shè)計(jì)能夠更輕松地處理 GUI 軟件所需的操作。威爾遜和弗伯對(duì)桶形移位器的重視可以從以下事實(shí)推斷出來(lái)：實(shí)現(xiàn)它的電路占據(jù)了大約 10% 的硅芯片。

下圖演示了如何對(duì)所有（寄存器到寄存器）“數(shù)據(jù)處理”指令進(jìn)行編碼。左表顯示了如何將指令編碼為 32 位指令，右表是一個(gè)示例指令。

這條指令中包含了很多內(nèi)容。它僅在“負(fù)”標(biāo)志清零時(shí)執(zhí)行，并對(duì)其中一個(gè)操作數(shù)執(zhí)行 4 位邏輯移位。盡管如此，ARM 1 仍可以在每個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行這些指令之一。

即使與 6502 等 8 位設(shè)計(jì)相比，該指令集也非?！耙?guī)則”。以至于我認(rèn)為這很簡(jiǎn)單，不僅要記住完整的指令集，而且還要記住所有指令的編碼，這對(duì)于英特爾 80286 來(lái)說(shuō)會(huì)更難。值得注意的是，ARM 1 指令集是由具有豐富的匯編語(yǔ)言編程經(jīng)驗(yàn)的人設(shè)計(jì)的，并沒(méi)有明確設(shè)計(jì)為編譯器的目標(biāo)，就像這種情況一樣，例如，對(duì)于 IBM 801。

該設(shè)計(jì)沒(méi)有浮點(diǎn)運(yùn)算，甚至沒(méi)有整數(shù)乘法或除法，也沒(méi)有內(nèi)存管理硬件，目的是在額外的支持芯片中提供這些功能。沒(méi)有緩存，因?yàn)閮?nèi)存仍然足夠快以保持處理器以全時(shí)鐘速度運(yùn)行。

ARM 設(shè)計(jì)通常遵循 Berkeley 和其他論文中闡明的廣泛 RISC 原則，但有些指令顯然與 RISC 不同。盡管該設(shè)計(jì)遵循“加載-存儲(chǔ)”架構(gòu)，無(wú)法將內(nèi)存訪問(wèn)與數(shù)據(jù)操作結(jié)合起來(lái)，但它確實(shí)有單獨(dú)的指令來(lái)指定多個(gè)寄存器加載或存儲(chǔ)。

總的來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)仍然非常簡(jiǎn)單。在大多數(shù)方面，它是迄今為止設(shè)計(jì)的最簡(jiǎn)單的 RISC 芯片。Berkeley RISC-1 是 Berkeley RISC 項(xiàng)目中出現(xiàn)的第一個(gè)處理器設(shè)計(jì)，它使用了 44,500 個(gè)晶體管并具有 78 個(gè) 32 位寄存器和六個(gè) 14 位寄存器“窗口”。MIPS R-2000 基于斯坦福大學(xué)的工作并于 1986 年推出，使用了 110,000 個(gè)晶體管。相比之下，第一個(gè) ARM 微處理器使用了不到 25,000 個(gè)晶體管。

第一批流片

弗伯前往德國(guó)慕尼黑的 VLSI 進(jìn)行一些最終測(cè)試，然后在 1985 年 1 月將完成的設(shè)計(jì)“流片”。第一批芯片于 1985 年 4 月 26 日從 VLSI 運(yùn)抵，大約在設(shè)計(jì)工作開(kāi)始后 18 個(gè)月。

該團(tuán)隊(duì)將芯片插入他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)的電路板，并通過(guò)“管”接口連接到 BBC 微型計(jì)算機(jī)，但是沒(méi)有反應(yīng)。豪瑟讓團(tuán)隊(duì)的其他成員解決問(wèn)題，兩個(gè)小時(shí)后，他被叫回現(xiàn)場(chǎng)，因?yàn)橄到y(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始工作了。一個(gè)簡(jiǎn)單的 BASIC 程序已經(jīng)在屏幕上寫(xiě)了一條“Hello World”消息。

因此，新的 CPU、電路板和 Sophie威爾遜的 BBC BASIC 的新版本——用匯編語(yǔ)言手動(dòng)編寫(xiě)——為新架構(gòu)首次工作。

一件值得注意的事，豪瑟團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)使用成本為幾美分的塑料封裝而不是成本為幾美元的陶瓷封裝來(lái)降低成本，構(gòu)建一種低功耗設(shè)計(jì)、低成本的芯片。盡管他們打算將其用于臺(tái)式機(jī)，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)還是芯片功耗低于一瓦。但是由于缺乏精確估算功耗的工具，他們犯了錯(cuò)誤。

芯片從 VLSI 運(yùn)抵幾天后，弗伯決定測(cè)試功耗情況。盡管 CPU 正在工作。他將電流表連接到 CPU后，他還是驚訝地看到讀數(shù)為零。經(jīng)過(guò)一番調(diào)查，他發(fā)現(xiàn)由通過(guò)其他引腳泄漏的電流供電的， CPU 電源引腳已斷開(kāi)連接。事實(shí)證明，新的微處理器只用了十分之一瓦特，比他們一直設(shè)定的目標(biāo)好十倍左右。

較低的功耗幾乎完全歸功于設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單性。正如史蒂夫·弗伯 (Steve Furber) 后來(lái)所說(shuō)的那樣，“除了簡(jiǎn)單之外，低功耗特性并不神奇”。

較低的功耗并沒(méi)有以犧牲性能為代價(jià)。最初打算以大約 1.5 倍的 VAX 11/780 性能執(zhí)行，原型最終實(shí)現(xiàn)了 DEC VAX 11/780 的 2 到 4 倍的性能；這大約相當(dāng)于原來(lái)基于 IBM 80286 的 PC AT 或以 16.67 MHz 運(yùn)行的摩托羅拉 68020 的 10 倍。

Acorn 處理器比當(dāng)時(shí)的一些替代 RISC 設(shè)計(jì)（例如 MIPS R2000）慢，但制造成本要低得多。

與Intel于1985年推出的80386形成鮮明對(duì)比。80386 使用了 275,000 個(gè)晶體管，但與英特爾 80386 的 1.5 μm 相比，新的 Acorn 處理器在使用保守的 3 μm 工藝時(shí)使用了不到十分之一的晶體管，性能優(yōu)于它。

威爾遜曾表示，該項(xiàng)目的靈感來(lái)自于“MIPS for the mass”的口號(hào)。他們?cè)O(shè)計(jì)了一種可以低成本制造的強(qiáng)大處理器。該團(tuán)隊(duì)和 RISC 概念已得到證實(shí)。

Acorn遇到麻煩

與此同時(shí)，Acorn 的業(yè)務(wù)開(kāi)始分崩離析。

1982 年，由于與克里斯·庫(kù)里的前任老板 Clive Sinclair 的持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)，Acorn 設(shè)計(jì)了一款機(jī)器，可以在蓬勃發(fā)展的家用電腦市場(chǎng)上與 Sinclair Spectrum 競(jìng)爭(zhēng)。Spectrum 使用 Ferranti ULA 來(lái)大幅降低成本，因此 Acorn 也采用了類似的方法。一開(kāi)始，弗伯和其他 Acorn 工程師并不同意：“我們并沒(méi)有那么熱衷于進(jìn)行這種降低成本的活動(dòng)，但最終我們被克里斯和赫爾曼說(shuō)服了，認(rèn)為市場(chǎng)是存在的?！?/span>

結(jié)果是 Acorn Electron（也稱為“Elk”），一種基于 6502 的主要 BBC Micro 兼容機(jī)器，它再次使用 Ferranti ULA（這次有 2400 個(gè)邏輯門(mén)——比之前使用的大得多）來(lái)縮小BBC 機(jī)器中使用的集成電路數(shù)量從 100 多個(gè)增加到大約 12 個(gè)。

Electron 的存在很快就廣為人知，因?yàn)閹?kù)里和豪瑟在媒體上談?wù)撍?。但是機(jī)器一再被推遲，因?yàn)楦ゲ退膱F(tuán)隊(duì)正在努力解決 ULA 的問(wèn)題。

當(dāng) Electron 在 1983 年晚些時(shí)候推出時(shí)，它獲得了普遍正面的評(píng)價(jià)，除了一個(gè)缺點(diǎn)：與 BBC Micro 相比它非常慢，部分原因是該機(jī)器的內(nèi)存帶寬較差。

Keith 和 Steven Brain 在流行計(jì)算周刊上寫(xiě)到：“Electron 的一個(gè)主要特型是 RAM 的組織方式。為了經(jīng)濟(jì)起見(jiàn)，Electron使用了四個(gè) 64Kb RAM 芯片，但由于這些芯片一次只能讀取四位，內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)間實(shí)際上翻了一番，因此 Electron 比 BBC 慢得多?！?/span>

但是，提高 Electron 的產(chǎn)量也存在問(wèn)題。Ferranti 一直在努力生產(chǎn)足夠的工作 ULA，并在 1984 年 Acorn 委托 VLSI Technology 制作了 CMOS 版本的電路。然而，到 1984 年英國(guó)的家用電腦市場(chǎng)急劇萎縮。

Acorn 剩下 4300 萬(wàn)英鎊的不可出售股票。Acorn 還曾試圖打入美國(guó)的計(jì)算機(jī)市場(chǎng)，但最終以徹底失敗告終。它在 1983 年的最后六個(gè)月賺取了超過(guò) 500 萬(wàn)英鎊的利潤(rùn)，但在 1984 年下半年變成了近 1100 萬(wàn)英鎊的虧損。

1985 年 2 月，該公司不得不尋求財(cái)務(wù)幫助，它以意大利公司 Olivetti 的形式出現(xiàn)，該公司投資超過(guò) 1000 萬(wàn)英鎊，以換取公司將近一半的股份。豪瑟和庫(kù)里持有大量股份，但失去了對(duì)公司的控制權(quán)。

Acorn RISC 機(jī)器揭曉

新微處理器的開(kāi)發(fā)一直是一個(gè)嚴(yán)密保守的秘密。最令人驚訝的是，在他們就購(gòu)買(mǎi) Acorn 的股份進(jìn)行談判時(shí)，甚至對(duì) Olivetti 也保密。不過(guò)，現(xiàn)在機(jī)器開(kāi)始工作了，關(guān)于 Acorn 新處理器的消息逐漸傳遍了全世界。

當(dāng)弗伯于 1985 年 7 月打電話給記者，向他們介紹新的微處理器時(shí)，他感到難以置信。后來(lái)，1985 年 11 月版的英國(guó)最受歡迎的計(jì)算機(jī)雜志《個(gè)人計(jì)算機(jī)世界》以“新機(jī)器的靈魂”為標(biāo)題，以新處理器作為封面。Acorn 新處理器的秘密揭曉。在內(nèi)部，該雜志以“RISCy 業(yè)務(wù)”字樣開(kāi)頭。精簡(jiǎn)指令集處理器 (RISC) 時(shí)代已經(jīng)開(kāi)始……”

在大西洋彼岸，Byte 雜志于 1986 年 1 月跟進(jìn)，在第 387 頁(yè)發(fā)表了一篇報(bào)道。對(duì)新微處理器的詳細(xì)描述以：“它代表了 RISC philosophy在性能、開(kāi)發(fā)時(shí)間以及它的易用性和低制造成本方面的驚人證明?！?/span>

首批ARM微處理器用于BBC Micro二代處理器評(píng)估系統(tǒng)。一個(gè)奶油色的“奶酪楔”形盒子，附在 BBC Micro 上并標(biāo)有“Acorn”。ARM 評(píng)估系統(tǒng)包含一個(gè) ARM 微處理器和 1 兆字節(jié)的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。它還為這種新機(jī)器提供了一系列令人印象深刻的編程語(yǔ)言：Sophie Willson 的 BBC Basic、C、Fortran、LISP、匯編程序甚至 PROLOG。

ARM 1 CPU帶有 ARM 1 CPU 的 Acorn 評(píng)估系統(tǒng)電路板

這是第一次有人可以購(gòu)買(mǎi) RISC 處理器。ARM1 是第一個(gè)商用 RISC 處理器。ARM 評(píng)估系統(tǒng)現(xiàn)在是 Acorn 團(tuán)隊(duì)可用的最快的機(jī)器，因此成為該團(tuán)隊(duì)用來(lái)設(shè)計(jì) ARM 微處理器及其后續(xù)產(chǎn)品的芯片的工具之一?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，現(xiàn)在控制著 Acorn 的 Olivetti 將如何使用他們?cè)诓恢挥X(jué)中獲得的技術(shù)。

我們將在本系列的第二部分中了解接下來(lái)發(fā)生的事情。

Chip Letter網(wǎng)站上作者Babbage發(fā)布了關(guān)于ARM的早期故事，詳細(xì)描述了ARM企業(yè)成長(zhǎng)初期的歷程，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫進(jìn)行不改變文意的編譯整理，以饗讀者。