關(guān)公戰秦瓊？！ARM處理器對決X86處理器

        了解平板電腦的網(wǎng)友們，一定對以下詞組并不陌生，“ARM架構”“Cortex A8”“Cortex A9”在各大品牌廠(chǎng)商的宣傳海報中隨處可見(jiàn)，這些用來(lái)形容平板電腦處理器功能和特性的一些詞組到底是什么意思呢？ARM架構處理器又和我們日常在電腦臺式機和筆記本上使用的INTEL或AMD出品的X86架構處理器有什么不同呢？近期在魅族論壇上就有網(wǎng)友發(fā)帖詳細論述，指出將ARM架構的處理器和X86架構的處理器放在一起比較，就好比將飛禽和走獸放在一起比較，實(shí)在有點(diǎn)關(guān)公戰秦瓊的無(wú)厘頭！

以下是引用的原文：

        這里就不去管細節，簡(jiǎn)單來(lái)談一下，ARM和X86之間為什么不太具有可比性的問(wèn)題。要搞清楚這個(gè)問(wèn)題首先要明白什么是架構，之前也有很多人提到了架構不同，但架構是什么意思？它是一個(gè)比較抽象的概念，不太容易用幾句話(huà)就解釋清楚。

        我們要明白CPU是一個(gè)執行部件，它之所以能執行，也是因為人們在里面制作了執行各種功能的硬件電路，然后再用一定的邏輯讓它按照一定的順序工作，這樣就能完成人們給它的任務(wù)。也就是說(shuō)，如果把CPU看作一個(gè)人，首先它要有正常的工作能力(既執行能力)，然后又有足夠的邏輯能力(能明白做事的順序)，最后還要聽(tīng)的懂別人的話(huà)(既指令集)，才能正常工作。而這些集中在一起就構成了所謂的“架構”，它可以理解為一套“工具”、“方法”和“規范”的集合。不同的架構之間，工具可能不同，方法可能不同，規范也可能不同，這也造成了它們之間的不兼容——你給一個(gè)意大利泥瓦匠看一份中文寫(xiě)成的烹飪指南，他當然不知道應該干什么了。

        如果還看不懂，沒(méi)關(guān)系，我們繼續。從CPU發(fā)明到現在，有非常多種架構，從我們熟悉的X86，ARM，到不太熟悉的MIPS，IA64，它們之間的差距都非常大。但是如果從最基本的邏輯角度來(lái)分類(lèi)的話(huà)，它們可以被分為兩大類(lèi)，即所謂的“復雜指令集”與“精簡(jiǎn)指令集”系統，也就是經(jīng)?？吹降?ldquo;CISC”與“RISC”。屬于這兩種類(lèi)中的各種架構之間最大的區別，在于它們的設計者考慮問(wèn)題方式的不同。我們可以繼續舉個(gè)例子，比如說(shuō)我們要命令一個(gè)人吃飯，那么我們應該怎么命令呢？我們可以直接對他下達“吃飯”的命令，也可以命令他“先拿勺子，然后舀起一勺飯，然后張嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。從這里可以看到，對于命令別人做事這樣一件事情，不同的人有不同的理解，有人認為，如果我首先給接受命令的人以足夠的訓練，讓他掌握各種復雜技能(即在硬件中實(shí)現對應的復雜功能)，那么以后就可以用非常簡(jiǎn)單的命令讓他去做很復雜的事情——比如只要說(shuō)一句“吃飯”，他就會(huì )吃飯。但是也有人認為這樣會(huì )讓事情變的太復雜，畢竟接受命令的人要做的事情很復雜，如果你這時(shí)候想讓他吃菜怎么辦？難道繼續訓練他吃菜的方法？我們?yōu)槭裁床豢梢园咽虑榉譃樵S多非?；镜牟襟E，這樣只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同樣的工作，無(wú)非是下達命令的人稍微累一點(diǎn)——比如現在我要他吃菜，只需要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”，問(wèn)題就解決了，多么簡(jiǎn)單。

        這就是“復雜指令集”和“精簡(jiǎn)指令集”的邏輯區別?？赡苡腥苏f(shuō)，明顯是精簡(jiǎn)指令集好啊，但是我們不好去判斷它們之間到底誰(shuí)好誰(shuí)壞，因為目前他們兩種指令集都在蓬勃發(fā)展，而且都很成功——X86是復雜指令集(CISC)的代表，而ARM則是精簡(jiǎn)指令集(RISC)的代表，甚至ARM的名字就直接表明了它的技術(shù)：Advanced RISC Machine——高級RISC機。

        到了這里你就應該明白為什么RISC和CISC之間不好直接比較性能了，因為它們之間的設計思路差異太大。這樣的思路導致了CISC和RISC分道揚鑣——前者更加專(zhuān)注于高性能但同時(shí)高功耗的實(shí)現，而后者則專(zhuān)注于小尺寸低功耗領(lǐng)域。實(shí)際上也有很多事情CISC更加合適，而另外一些事情則是RISC更加合適，比如在執行高密度的運算任務(wù)的時(shí)候CISC就更具備優(yōu)勢，而在執行簡(jiǎn)單重復勞動(dòng)的時(shí)候RISC就能占到上風(fēng)，比如假設我們是在舉辦吃飯大賽，那么CISC只需要不停的喊“吃飯吃飯吃飯”就行了，而RISC則要一遍一遍重復吃飯流程，負責喊話(huà)的人如果嘴巴不夠快(即內存帶寬不夠大)，那么RISC就很難吃的過(guò)CISC。但是如果我們只是要兩個(gè)人把飯舀出來(lái)，那么CISC就麻煩得多，因為CISC里沒(méi)有這么簡(jiǎn)單的舀飯動(dòng)作，而RISC就只需要不停喊“舀飯舀飯舀飯”就OK。

        這就是CISC和RISC之間的區別。但是在實(shí)際情況中問(wèn)題要比這復雜許許多多，因為各個(gè)陣營(yíng)的設計者都想要提升自家架構的性能。這里面最普遍的就是所謂的“發(fā)射”概念。什么叫發(fā)射？發(fā)射就是同時(shí)可以執行多少指令的意思，例如雙發(fā)射就意味著(zhù)CPU可以同時(shí)拾取兩條指令，三發(fā)射則自然就是三條了?，F代高級處理器已經(jīng)很少有單發(fā)射的實(shí)現，例如Cortex A8和A9都是雙發(fā)射的RISC，而Cortex A15則是三發(fā)射。ATOM是雙發(fā)射CISC，Core系列甚至做到了四發(fā)射——這個(gè)方面大家倒是不相上下，但是不要忘了CISC的指令更加復雜，也就意味著(zhù)指令更加強大，還是吃飯的例子，CISC只需要1個(gè)指令，而RISC需要5個(gè)，那么在內存帶寬相同的情況下，CISC能達到的性能是要超過(guò)RISC的(就吃飯而言是5倍)，而實(shí)際中CISC的Core i處理器內存帶寬已經(jīng)超過(guò)了100GB/s，而ARM還在為10GB/s而苦苦奮斗，一個(gè)更加吃帶寬的架構，帶寬卻只有別人的十分之一，性能自然會(huì )受到非常大的制約。為什么說(shuō)ARM和X86不好比，這也是很重要的一個(gè)原因，因為不同的應用對帶寬需求是不同的。一旦遇到帶寬瓶頸，哪怕ARM處理器已經(jīng)達到了很高的運算性能，實(shí)際上根本發(fā)揮不出來(lái)，自然也就會(huì )落敗了。

        說(shuō)到這兒大家應該也已經(jīng)明白CISC和RISC的區別和特色了。簡(jiǎn)而言之，CISC實(shí)際上是以增加處理器本身復雜度作為代價(jià)，去換取更高的性能，而RISC則是將復雜度交給了編譯器，犧牲了程序大小和指令帶寬，換取了簡(jiǎn)單和低功耗的硬件實(shí)現。但如果事情就這樣發(fā)展下去，為了提升性能，CISC的處理器將越來(lái)越大，而RISC需要的內存帶寬則會(huì )突破天際，這都是受到技術(shù)限制的。所以進(jìn)十多年來(lái)，關(guān)于CISC和RISC的區分已經(jīng)慢慢的在模糊，例如自P6體系(即Pentium Pro)以來(lái)，作為CISC代表的X86架構引入了微碼概念，與此對應的，處理器內部也增加了所謂的譯碼器，負責將傳統的CISC指令“拆包”為更加短小的微碼(uOPs)。一條CISC指令進(jìn)來(lái)以后，會(huì )被譯碼器拆分為數量不等的微碼，然后送入處理器的執行管線(xiàn)——這實(shí)際上可以理解為RISC內核+CISC解碼器。而RISC也引入了指令集這個(gè)就邏輯角度而言非常不精簡(jiǎn)的東西，來(lái)增加運算性能。正常而言，一條X86指令會(huì )被拆解為2～4個(gè)uOPs，平均來(lái)看就是3個(gè)，因此同樣的指令密度下，目前X86的實(shí)際指令執行能力應該大約是ARM的3倍左右。不過(guò)不要忘了這是基于“同樣指令密度”下的一個(gè)假設，實(shí)際上X86可以達到的指令密度是十倍甚至百倍于A(yíng)RM的。

        最后一個(gè)需要考慮的地方就是指令集。這個(gè)東西的引入，是為了加速處理器在某些特定應用上性能而設計的，已經(jīng)有了幾十年的歷史了。而實(shí)際上在目前的應用環(huán)境內，起到?jīng)Q定作用的很多時(shí)候是指令集而不是CPU核心。X86架構的強大，很多時(shí)候也源于指令集的強大，比如我們知道的ATOM，雖然它的X86核心非常羸弱，但是由于它支持SSE3，在很多時(shí)候性能甚至可以超過(guò)核心性能遠遠強大于它的Pentium M，這就是指令集的威力。目前X86指令集已經(jīng)從MMX，發(fā)展到了SSE，AVX，而ARM依然還只有簡(jiǎn)單而基礎的NEON。它們之間不成比例的差距造成了實(shí)際應用中成百上千倍的性能落差，例如即便是現今最強大的ARM內核依然還在為軟解1080p H.264而奮斗，但一顆普通的中端Core i處理器卻可以用接近十倍播放速度的速度去壓縮1080p H.264視頻。至少在這點(diǎn)上，說(shuō)PC處理器的性能百倍于A(yíng)RM是無(wú)可辯駁的，而實(shí)際中這樣的例子比比皆是。這也是為什么我在之前說(shuō)平均下來(lái)ARM只有X86幾十分之一的性能的原因。

        打了這么多字，其實(shí)就是為了說(shuō)明一點(diǎn)，雖然現在A(yíng)RM很強大，但它距離X86還是非常遙遠，并沒(méi)有因為這幾年的進(jìn)步而縮短，實(shí)際上反而在被更快的拉大。畢竟它們設計的出發(fā)點(diǎn)不一樣，因此根本不具備多少可比性，X86無(wú)法做到ARM的功耗，而ARM也無(wú)法做到X86的性能。這也是為什么ATOM一直以來(lái)都不成功的原因所在——Intel試圖用自己的短處去和別人的長(cháng)處對抗，結果自然是不太好的，要不是Intel擁有這個(gè)星球上最先進(jìn)的半導體工藝，ATOM根本都不可能出現。而ARM如果嘗試去和X86拼性能，那結果自然也好不到哪兒去，原因剛剛也解釋過(guò)了。不過(guò)這也不意味著(zhù)ARM以后就只能占據低端，畢竟任何架構都有其優(yōu)點(diǎn)，一旦有應用針對其進(jìn)行優(yōu)化，那么就可以揚長(cháng)避短。X86的繁榮也正是因為整個(gè)世界的資源都針對它進(jìn)行了優(yōu)化所致。只要能為ARM找到合適的應用與適合的領(lǐng)域，未來(lái)ARM也未必不可以進(jìn)入更高的層次。