看ARM如何抢走英特尔的X86市场––CPU市场上的逆袭！

对电脑下命令: 高级语言与低级语言

CPU (Central Processing Unit, 中央处理器) 是驱动整台电脑运作的中心枢纽，就像是电脑的大脑；若没有CPU，电脑就无法使用。

CPU 的功能主要是执行电脑的指令、以及处理电脑软件中的资料。

什么是指令呢？指令是低级语言的命令。我们可以对电脑以程式下达命令，比如加减乘除的运算； 在高级语言中的命令称为「叙述」 (statements)，在低级语言中则称为「指令」 (instructions)。

所谓的程式，就是指我们要电脑完成某一项工作，所下达的一连串命令。

等等！ 什么又是高级语言和低级语言呢?

高级语言是目前最常见的程式语言，平常我们听到的程式语言，比如C/C++、都是高级语言。 高级语言以人类的日常语言英文为基础，使用一般人易于接受的文字来表示，可读性高。

然而电脑是看不懂高级语言的，因此我们需要将高级语言透过编译器(Complier) 将高级语言再转成能直接与硬体沟通的低级语言。

电脑唯一能读懂的语言就是二进位制的「机器语言」 (Machine Language)，由0与1组成，比如00101001010101100111…. 别说你会撰写到发疯，连看懂都有困难。

因此后来又发展出了「组合语言」 (Assembly Language)，改用较短的字串取代机器语言的0与1，让人类比较好看的懂。

由于CPU只认得机器语言，因此组合语言所撰写的程式依然需要经由「组译器」 (Assembler) 来转译为机器码。 组合语言每一行直接对应到的几乎就是一个机器码，高级语言则无。

这个流程简单来说，就是高级语言(C/C++) 得透过编译器(Complier) 转成组合语言(Assembly Language)、再透过组译程式(Assembler) 转译成机器码(Machine Code)，机器才能读得懂。

低级语言不用耗费编译流程、即可被CPU 所执行，因此以低级程式语言编写的程式，其运作效率会较高级语言更高。

然而可能别人写两三行就解决的程式、你要写数十行数百行而已。 就是看人类方便（高级语言）、还是机器方便（低级语言）。

这么讲大家可能很难理解，来做个示范吧！ 如果我们希望电脑输出「Hello, World!」这行字，在高级语言中会这样写(范例为C语言)：

这时候电脑会输出Output结果：Hello, World!。

同样的一行字，来看看在组合语言中是怎么写的：

这时候你可能已经有：「这东西是什么！！！」的想法了… 别急，最后来看看机器语言会怎么写：

…天啊。 这谁看得懂。

我们可以明显发现，高级语言的一个叙述可以对应到多个低级语言的指令，比低级语言更易撰写、也较好阅读。 这样的话，为什么还要有低级语言呢？

事实上，不是「为什么还要有低级语言」，而是一开始的电脑就只有低级语言！ 高级语言是后面才发展出来的东西，方便人类好写且好读懂。

可以说：「 低级语言是要给机器看的、高级语言是给人看的」。如果是底层的嵌入式系统，有些工程师还是要直接去写组合语言。

也就是说，高级语言和低级语言的功能不同，不能直接相比。 高级语言是来帮助我们进行抽象化的设计、让我们能描述出需要的行为，而不是去Micro Control 每一行机器要跑的指令。

但高级语言要让机器理解，还须经过编译器的「编译」这个步骤。编译后的结果，会直接影响电脑执行该程式的效能。

就像是一个翻译人员把中文翻成英文一样，如果翻的好的话一样很优美、能达到最理想的效果；如果翻不好的话，就会变得很糟糕。 台湾一家新创 Skymizer 就是在做编译器的优化，让相同的程式码经过更优化的编译器后、能在电脑上跑更快噢！

低级语言虽然难懂，但硬 件 能不经编译器、直接执行。 （不过机器只能看懂0/1，所以如果是组合语言的话，还要经过组译器翻译=>机器语言噢～）

也因为低级语言对硬 件 直接操作，一种组合语言会专用于某种电脑架构，而不像许多高级语言可以在不同系统平台之间移植。 根据这种特性，我们能透过组合语言订定「指令集」，和该指令集依附的「指令集架构」。

指令集架构: 电脑的制作基础

一天到晚听到ARM 架构、x86 架构，听得很烦、却又不知道是什么意思吗ˊ＿>ˋ… 别再当科技新闻小白，了解低级语言的概念后，终于可以来看看什么是处理器的「架构」啦！

低级语言的「指令」是处理器(CPU )可以执行的最基本运算， 一款处理器所能支援执行的「所有指令的总集合」，就称为指令集(Instructions)。

在低级语言指令中，会出现资料于特定硬 件 上操作或存取的资讯，工程师须受过硬 件 训练才能了解低级语言；现在一般写个网站、写APP 都用高级语言，无须了解记忆体和或硬体便可以操作了。

然而要造计算机，除了指令、还得制定与该指令集相关的硬 件 规定，就叫「指令集架构」(Instruction Set Architecture)。

现在让我们要来讲一个如何造出一颗CPU的故事。 有天有位软 件 工程师小智、和设计CPU的硬 件 工程师小皮凑在一起。 『工具人＿软 件 小智』：「好基友，一起来造颗CPU吧！看要怎么合作呢？（贴图）」

『社畜__硬件小皮』：「好！不然这样好了，你负责编写能跑在CPU 上的指令，我负责设计CPU的硬体零件。咱分头进行，一年后在这边碰面，两边再合在一起！」

『工具人＿软件小智』：「等等，这样我们各干各的，谁知道一年后合在一起时会不会爆炸！怎么能保证我写的指令，能在你设计的CPU 上跑得起来呢？」

『社畜_硬件小皮』：「 这样好了，我们共同把规则定好，再去分头进行设计软件和硬件，才能保证一年后碰面时，软件和硬件能顺利地结合在一起、你我不分开

这个规则，就是「指令集架构」(ISA)，包含了软 件 与硬 件 两部分。

可以说，从上游设计、到下游制造的IC 工业链，全部都是围绕着一个指令集为基础，来量身定做该指令集的「软 件 指令」和「其所依附的硬 件 零件」。

所以说，指令集就是造计算机的规格。 一旦决定了指令集后、我们就可以着手设计计算机。 相同规格的计算机，可以有不同的实作方式；但依据相同指令集架构所造出来的计算机、要能执行指令集中的每一道指令。

所以你会看到ARM 指令集有很多不同的处理器（高通、联发科、展讯…），但他们都可以执行所有ARM 架构的指令。 差别在不同厂商的 芯 片，会再加上其他作为竞争力的功能，比如通讯、照相等等。

发现了吗，这是一件很惊人的事情！ 一旦决定了指令集架构，整个IC工业链几百亿几千亿的市值，都会围绕在该指令集架构上从头到尾进行量身定做 ，因此一旦被市场所接受、就相当容易形成垄断的情况。

指令集架构是电脑的基础，也会影响作业系统的种类以及软 件 的支援程度，每个指令集架构皆有各自的生态。现行的指令集架构非常多，知名的架构包括x86、ARM、MIPS等。

x86 由Intel 主导，也是目前个人电脑的主流架构，ARM 则是采用授权的方式释出， 在移动装置的市占率高达九成。 MIPS 则被应用于任天堂和Sony 的游戏机上。

指令集可依据CPU 的设计目的，分为「复杂指令集」 (CISC) 和「精简指令集」 (RISC)。 在1980年代前，指令集越做越复杂；为了支援这些指令集，导致电脑的硬 件 结构也越来越复杂。 然而，在复杂指令集中，仅有20% 的指令最常被使用、剩下80% 指令使用率相对低。

事实上，规格简单、造出来的机器才会简单且效能强。

1979 年美国加州大学伯克莱分校提出了RISC 的概念，精简指令集(RISC) 只提供基本指令，剩下的复杂指令由基本指令拼凑而成，讲求CPU 执行速度。

想想看，不会因为英文只有26 个字母，就让我们的沟通受到限制；同理，指令集也不会因为个别指令能完成的功能较简单而受到限制。

当然CISC 并没有被淘汰掉，CISC 与RISC 各有优劣，依据硬 件 制作需求而有所选择。

还记得本文开头举例的高级语言和低级语言程式码的行数差异吗？ 相同的道理， CISC 提供较佳的程式撰写环境，能在较短程式码内达到目标。 不仅让工程师能在撰写程式上更轻松、在早期电脑记忆体容量有限时，也能以较少的指令运作复杂的运算。

RISC 处理器的规格则是要简单许多，高级语言藉由编译(Compile) 转成RISC 指令很有效率，容易量产、价格更便宜、提升速度也很快，重点是低功耗、耗电量低。 芯 片业由传统巨头Intel 导向ARM 的翻盘， 来自RISC 的革新绝对是位大功臣。

INTEL 与ARM: 高效能与低功耗之争

芯 片的运算效能与功耗成正比，代表若是 芯 片功能越强大，相对就更加耗电。

芯 片设计常要为了增强效能而牺牲功耗表现。 比如2015 年高通旗下产品Snapdragon 810 的「发热门」事件──无论是CPU 还是GPU，Snapdragon 810 性能与前代产品Snapdragon 801 相比都有所提升。

可惜Snapdragon 810 ，和下一代的Snapdragon 820 都有着功耗大、发热严重的问题，使得当年使用该产品的各厂牌旗舰智慧型手机纷纷陷入争纷。

Intel和ARM间的竞争，莫过于高效能与低功耗的取舍，与传统「一人吃饼、你吃饼屑」和「把市场养大大家一起吃饼」的经营差异。

ARM的前身为Acorn Computer (艾康电脑)，1978年创立于英国剑桥。 后来因为艾康电脑的财务出现状况，1990年分割出ARM成为独立子公司。

ARM建立之初，苹果还持有其40% 股份，只是后来陆续出脱，成为开发iPod、iPhone的资金。 虽然苹果一度想要买回ARM 股权，甚至还提出了收购邀约，可惜被ARM执行长拒绝。 想想如果苹果当初还持有ARM，到现在会变成多惊人的结果XDD~

1985年，艾康电脑与苹果公司研发出采用精简指令集的新型处理器，命名为ARM (Acorn RISC Machine,后来更名为Advanced RISC Machine)，又称ARM 1。同年十月，Intel也发表了80386处理器。

ARM1 的功能显得相对简单，效能也不敌80386，但耗电量明显更低。 这样的差异使得ARM 系列处理器往后的设计路线明显与Intel 不同，Intel持续迈向高效能的x86 架构，ARM 专注于低成本、低功耗的研发方向。

早期电脑的 芯 片注重效能更甚功耗，当时的桌上型电脑都有电源连接插座，在无须担心耗电量的情况下只需比拼效能即可。

然而当笔电、智慧型手机与平板逐渐普及，取代桌电成为主流电子市场时，面对运算性能要求不高却注重续航力的产品，低功耗与低价位的 芯 片成为比效能更重要的考量点。

（当然，无论ARM还是Intel都会号称自家产品具备低功耗高效能的特点啦…。）

加上ARM 独特经营模式所拥有的竞争优势──ARM 本身并不直接生产 芯 片，商业模式采用授权智慧财产权的方式，由高通、联发科、三星等厂商使用ARM 的指令集架构，再加入自家研发的技术，比如内显GPU、3G/4G 支援、省电机制… 最后整合成一颗SoC (System on Chip, 系统单 芯 片) 处理器。

获利模式简单来说分成两块：一是一次性的对外授权收入，二是版税、客户每生产一块 芯 片就要支付ARM 一笔提成。

这与Intel 的经营方式大相径庭，自行研发、制造、出售的产品毛利高达50%，比纯作授权的微薄利润还高，大概得卖百来片ARM 的 芯 片才抵过Intel 卖一片 芯 片。

其他厂商若要从头开始研发x86 这样的架构可能得耗时二、三十年。 藉由赚得的高额利润，Intel能再投入大量的成本研发下一代处理器技术与生产线制程，甩竞争对手又一个世代。

以其对手AMD 来说好了AMD 的资本额与Intel 相差几十倍，制程技术落后（谁叫他要包给格罗方德呢…）、研发资金也不足，比起Intel 的正向循环， AMD 几回恶性循环后导致公司亏损。

AMD之所以被Intel留着只是为了不被反垄断法控诉…。这种由Intel一家独霸技术与市场的经营方式，也就是所谓的「 一人吃饼、你吃饼屑 」。

相比之下，ARM 用便宜的价格进行大量的授权，不用投入高额资本于工厂产线。

ARM 架构能兴起、还要感谢幕后功臣苹果，除了早期共同研发精简指令集架构(RISC)、出资让ARM 公司独立出来，更重要地，还以使用ARM 架构的iPhone、iPad 打开了移动运算市场，让其他厂商纷纷能以低价购入ARM 授权，进行智慧型手机 芯 片的研发。

RISC之所以成为目前主流指令集，与移动装置相辅相成，可谓时也、运也、命也，所谓「 把市场养大大家一起吃饼 」。