第2章 树莓派的心脏

树莓派上最关键的元件，就是位于其中心位置的“心脏”——ARM处理器。这款处理器的诞生，也与BBC Micro这款启发了树莓派的电脑有关。1980年，“计算机”概念在欧美大热，成了电视和报纸上最常谈论的话题。BBC电视台趁机策划了一系列关于计算机的电视节目。导演遇到一个问题：怎么给没见过电脑的观众画饼。

此时，大洋彼岸的苹果公司已经推出了适合个人使用的微型电脑。Apple-II电脑在20世纪70年代末创造了销售神话，从而开发出个人电脑这个新市场。个人电脑在美国风靡，温吞的英国人的节奏却慢了一拍。对于英国人来说，计算机还是限于科研、国防、制造领域的高科技设备，和自己的生活没有太大关系。美国舶来的个人电脑都售价不菲。英国人不愿用一年的茶钱来换一台用途不明的机器。在这种情况下，无论BBC主持人怎样能说会道，只能凭空想象的电视观众估计也熬不过5分钟。幸好，BBC是英国传媒业的龙头，不会轻易放弃。BBC公开招标一款廉价的微型计算机。

中标的是艾康电脑公司（Acorn Computer Company）。按现在的标准看，艾康电脑很不靠谱。这家公司才成立两年，规模也很小。艾康的起家业务是给赌博机生产控制器。这些控制器拥有运算和存储组件，勉强算是电脑。但控制器执行的是固定的程序，与多功能的个人电脑还有相当的距离。

艾康中标的主要原因是他们正好有一台符合BBC预期的原型机。于是，这款原型机被重新命名为BBC Micro，成为电视节目的指定用机。借着电视节目，BBC Micro成为英国最流行的个人电脑。但钱没能消除艾康的危机感。与市面上其他的个人电脑相比，BBC Micro的性能没有优势。为了在竞争中胜出，艾康公司想把强大的Intel处理器用在BBC Micro上。

处理器又被称为“中央处理器”或“CPU”，是计算机执行指令的中枢。所谓的指令，就是计算机的某个单元操作。我们在生活中经常下指令，比如要求别人“向左转”或“向右转”。同样，用户也可以向计算机发出指令，比如要求计算机进行加减运算。无论多么复杂的动作，最终都会被分解为一系列的处理器指令来完成。因此，处理器的好坏直接决定了计算机的性能。

当时的Intel正风光无两。借着IBM电脑的大卖，Intel处理器（如图2-1所示）几乎占据了整个个人电脑市场。因此，Intel对于艾康这样的小客户提不起兴趣，不愿给出太大的折扣。由于BBC Micro的定位是廉价的教育型电脑，因此艾康最终放弃了Intel处理器，转而自行研发处理器。处理器的研发耗费巨大。艾康的工程师必须“事先非常仔细地考虑好所有的细节”，才能在苛刻的成本限制下实现处理器性能的提升。1985年，艾康公司给BBC Micro换上了性能优良的新型处理器。艾康公司也借此有了一个新产品——ARM处理器，如图2-2所示。

图2-1 Intel处理器

图2-2 BBC Micro中的ARM处理器

ARM是“Acorn RISC Machine”的简称，名字中的“RISC”，指的是ARM处理器对精简指令集的支持。这四个看起来干巴巴的字母，却是对Intel最直接的叫板。原因很简单，Intel采用的是完全相反的“CISC”。所谓的RISC，是指该类型的处理器只支持基本的汇编指令。“R”代表了“Reduced”，即“精简”。Intel支持的“CISC”，指的是复杂指令集。首字母“C”代表了“Complex”，即“复杂”。Intel处理器提供了比ARM处理器多得多的指令。和RISC相比，CISC处理器有很多高级功能，结构也相应复杂得多。从直觉上看，CISC处理器像是一辆超级跑车，让人趋之若鹜。

但两大阵营的对比并非那么简单。RISC支持的指令虽然基础，但总可以通过基础指令的组合来实现CISC处理器的功能。这意味着RISC处理器的汇编程序需要占用更多的空间，编译起来也比较耗时。但RISC处理器结构简单，制造成本低，运行起来也比较省电。其实在威尔森之前，大型服务器已经开始使用RISC处理器。这些大型电脑配备数目众多的处理器，就好像拥有大量汽车的出租车公司，更愿意选择经济型轿车。艾康的独到之处是把RISC引入了低成本的小型设备。

凭着ARM处理器，艾康守住了教育电脑市场。BBC Micro销量达到上百万台，直到1994年才彻底停产。但在更广阔的个人电脑市场上，Intel的CISC处理器才是赢家。毕竟，个人电脑逐渐成为家庭娱乐和个人办公的中心。一台个人电脑往往会使用5到7年，而电脑上的软件也会越来越多、越来越耗费资源。为了应对漫长的使用期，用户当然希望自己手里的是一辆超级跑车。因此，Intel长期霸占个人电脑市场，只留给竞争对手一点边角料。艾康想扩大份额，只能靠个人电脑之外的应用场景。

艾康寄希望于苹果公司的新产品。1990年，艾康公司和苹果公司联合成立了ARM公司。ARM公司的设立充满实验性质。公司最初只有12个人，只能在一间谷仓里办公。这个小团队负责开发ARM处理器。苹果将ARM处理器用于牛顿掌上电脑（Apple Newton）。这款产品极具创意。其大屏显示和手写识别，直接启发了“商务通”等PDA（Personal Digital Assistant）产品，甚至影响了iPhone的设计，如图2-3所示。掌上电脑对性能的要求没有个人电脑那么高，但需要节约使用电池。低功耗的ARM处理器正适合。但“牛顿”是一款早熟的产品，因此没能获得商业上的成功。它售价太高，而关键性的手写功能又充满缺陷，造成该产品在商业市场上折戟。ARM的路似乎走到了尽头。

图2-3 Newton与iPhone

在这种绝望的状况下，ARM干脆彻底放弃了处理器的生产和销售。如果一家饭店既不做饭又不卖饭，估计第二天就要关张。幸好ARM公司是一家电子公司，还可以卖设计图纸。ARM当然不是自暴自弃地清仓甩卖。它收取一定的费用，把相关设计分享给有能力生产和销售的合作伙伴。合作伙伴生产出的每件ARM处理器，都要付给ARM公司一定的授权费。通过这种授权知识产权模式，ARM省去了生产和销售环节的巨额成本。专注于上游的设计，这也让ARM公司快速地迭代开发。当然，这也是没办法的办法。Intel这样的霸主，包揽了从设计到销售的全链条，根本不用像ARM这样委曲求全。

ARM开放的合作框架，掀起了一场反抗Intel的暴动。很多电子元件厂商都想和Intel竞争处理器市场，但都忌惮Intel的强势，不敢轻易涉入。与ARM公司合作，成了“蜀汉联合，共抗曹魏”的理想策略。反过来，这些厂商上了船，也心甘情愿地为ARM处理器攻城略地。德州仪器公司（Texas Instrument）生产的ARM处理器，就被诺基亚用在6110手机上。这款手机在中国也曾红极一时，笔者就曾拿着老爸的6110使劲地折叠贪吃蛇。除了6110这样的明星产品，ARM处理器还收编了诸多细分领域。在低端领域，ARM处理器“够用就好”的原则正好可以控制成本。在专用设备方面，ARM开放的架构允许小型电子厂自由地定制，也广受欢迎。

就在ARM攒足粮草的关键时机，苹果终于发力助攻。乔布斯回归苹果，发布了革命性的iPhone。由于iPhone选用了ARM处理器，因此ARM的市场份额开始狂飙。事实上，Intel曾有机会拿下iPhone。在iPhone诞生之前，苹果就和Intel达成战略合作关系，并把Intel处理器应用于苹果电脑。苹果也有意委托Intel开发iPhone的处理器，只是Intel内部并不看好iPhone，担心收不回投资成本。

ARM的开放又一次战胜了Intel的封闭。随后，谷歌推出安卓操作系统，刺激出一众安卓手机厂商。寻求快速迭代的安卓厂商很自然地选用开放的ARM处理器。ARM在手机市场的狂飙让Intel人心不稳。苹果在平板电脑iPad上再次跳过Intel，使用了ARM处理器。业界议论纷纷，既然ARM处理器能满足平板电脑的性能需求，为什么不能用于Intel坐镇的高端个人电脑呢？Intel的霸主地位日渐动摇。

如今，ARM处理器的出货量已经远远超过Intel，并占据了90%以上的手机处理器市场。树莓派使用的是来自博通公司的ARM处理器，从而为ARM处理器探索出新的应用领域。同样承袭BBC Micro的衣钵，ARM和树莓派都为计算机领域开创了新的发展模式。