一文讀懂CPU架構

中央處理單元(CPU)主要由運算器、控制器、寄存器三部分組成，從字面意思看運算器就是起著(zhù)運算的作用，控制器就是負責發(fā)出CPU每條指令所需要的信息，寄存器就是保存運算或者指令的一些臨時(shí)文件，這樣可以保證更高的速度。

CPU有著(zhù)處理指令、執行操作、控制時(shí)間、處理數據四大作用，打個(gè)比喻來(lái)說(shuō)，CPU就像我們的大腦，幫我們完成各種各樣的生理活動(dòng)。因此如果沒(méi)有 CPU，那么電腦就是一堆廢物，無(wú)法工作。移動(dòng)設備其實(shí)很復雜，這些CPU需要執行數以百萬(wàn)計的指示，才能使它向我們期待的方向運行，而CPU的速度和功率效率是至關(guān)重要的。速度影響用戶(hù)體驗，而效率影響電池壽命。最完美的移動(dòng)設備是高性能和低功耗相結合。

CPU架構是CPU廠(chǎng)商給屬于同一系列的CPU產(chǎn)品定的一個(gè)規范，主要目的是為了區分不同類(lèi)型CPU的重要標示。

在計算世界中，“體系結構”一詞被用來(lái)描述一個(gè)抽象的機器,而不是一個(gè)具體的機器實(shí)現。一般而言，一個(gè)CPU的體系結構有一個(gè)指令集加上一些寄存器而組成。

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)?？吹降摹癈ISC”與“RISC”。

“指令集”與“體系結構”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)是同義詞。x86、ARM、MIPS算是是目前最常見(jiàn)也相對最知名的處理器架構?！?/p>

x86架構

x86或80x86是英特爾首先開(kāi)發(fā)制造的一種微處理器體系結構的泛稱(chēng)。該系列較早期的處理器名稱(chēng)是以數字來(lái)表示，并以“86”作為結尾，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架構被稱(chēng)為“x86”。

x86架構于1978年推出的Intel 8086中央處理器中首度出現，它是從Intel 8008處理器中發(fā)展而來(lái)的，而8008則是發(fā)展自Intel 4004的。8086在三年后為IBM PC所選用，之后x86便成為了個(gè)人電腦的標準平臺，成為了歷來(lái)最成功的CPU架構。8086是16位元處理器;直到1985年32位元的80386的開(kāi)發(fā)，這個(gè)架構都維持是16位元。接著(zhù)一系列的處理器表示了32位元架構的細微改進(jìn)，推出了數種的擴充，直到2003年AMD對于這個(gè)架構發(fā)展了64位元的擴充，并命名為AMD64。后來(lái)Intel也推出了與之兼容的處理器，并命名為Intel 64。兩者一般被統稱(chēng)為x86-64或x64，開(kāi)創(chuàng )了x86的64位時(shí)代。

Intel早在1990年代就與惠普合作提出了一種用在安騰系列處理器中的獨立的64位架構，這種架構被稱(chēng)為IA-64。IA-64是一種嶄新的架構，和x86架構完全沒(méi)有相似性。

x86架構是重要地可變指令長(cháng)度的CISC。字組(word, 4字節)長(cháng)度的內存存取允許不對齊內存位址，字組是以低位字節在前的順序儲存在內存中。向后相容性一直都是在x86架構的發(fā)展背后一股驅動(dòng)力量(設計的需要決定了這項因素而常常導致批評，尤其是來(lái)自對手處理器的擁護者和理論界，他們對于一個(gè)被廣泛認為是落后設計的架構的持續成功感到不解)。但在較新的微架構中，x86處理器會(huì )把x86指令轉換為更像RISC的微指令再予執行，從而獲得可與RISC比擬的超標量性能，而仍然保持向前兼容。

如今，我們面前的PC機基本都是x86架構計算機。如果你想嘗試其他架構的計算機，首先要考慮的是是否放棄Windows系統。(注：Windows 8 起，微軟開(kāi)始支持x86和ARM兩種架構) ·

ARM架構

ARM架構(過(guò)去稱(chēng)作進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機器(Advanced RISC Machine)，更早稱(chēng)作Acorn RISC Machine)是一個(gè)32位元精簡(jiǎn)指令集(RISC) 中央處理器(processor)架構，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(embedded)設計。由于節能的特點(diǎn)，ARM處理器非常適用于移動(dòng)通訊領(lǐng)域，符合其主要設計目標為低耗電的特性。在今日，ARM家族占了所有32位元嵌入式處理器75%的比例[1]，使它成為占全世界最多數的32位元架構之一。ARM處理器可以在很多消費性電子產(chǎn)品上看到，從可攜式裝置(PDA、移動(dòng)電話(huà)、多媒體播放器、掌上型電玩，和計算機)到電腦周邊設備(硬盤(pán)、桌上型路由器)甚至在導彈的彈載計算機等軍用設施中都有他的存在。在此家族中衍伸的重要產(chǎn)品還包括Marvell的XScale架構和德州儀器的OMAP系列。

ARM架構包含了下述RISC特性：

1、讀取/儲存 架構。

2、正交指令集(任意存取指令可以任意的尋址方式存取數據Orthogonal instruction set)

3、大量的16 × 32-bit 寄存器陣列(register file)。

4、固定的32 bits 操作碼(opcode)長(cháng)度，降低編碼數量所產(chǎn)生的耗費，減輕解碼和流水線(xiàn)化的負擔。

5、大多均為一個(gè)CPU周期執行。

為了補強這種簡(jiǎn)單的設計方式，相較于同時(shí)期的處理器如Intel 80286和Motorola 68020，還多加了一些特殊設計：

1、大部分指令可以條件式地執行，降低在分支時(shí)產(chǎn)生的負重，彌補分支預測器(branch predictor)的不足。

2、算數指令只會(huì )在要求時(shí)更改條件編碼(conditioncode)。

3、32-bit筒型位移器(barrelshifter)可用來(lái)執行大部分的算數指令和尋址計算而不會(huì )損失效能。

4、強大的索引尋址模式(addressing mode)。

5、精簡(jiǎn)但快速的雙優(yōu)先級中斷子系統，具有可切換的暫存器組。

在今日，ARM家族占了所有32位元嵌入式處理器75%的比例，使它成為占全世界最多數的32位元架構之一。ARM處理器可以在很多消費性電子產(chǎn)品上看到，從可攜式裝置(PDA、移動(dòng)電話(huà)、多媒體播放器、掌上型電玩、計算機)到電腦周邊設備(硬盤(pán)、桌上型路由器)甚至在導彈的彈載計算機等軍用設施中都有他的存在。

MIPS架構

MIPS架構(英語(yǔ)：MIP Sarchitecture，為“無(wú)內部互鎖流水級的微處理器Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的縮寫(xiě)，也是Millionsof Instructions Per Second的相關(guān)語(yǔ))，是一種采取精簡(jiǎn)指令集(RISC)的處理器架構，1981年出現，由MIPS科技公司開(kāi)發(fā)并授權，廣泛被使用在許多電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò )設備、個(gè)人娛樂(lè )裝置與商業(yè)裝置上。其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線(xiàn)中的數據相關(guān)問(wèn)題。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導的研究小組研制出來(lái)的。MIPS公司的R系列就是在此基礎上開(kāi)發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計算機公司采用構成各種工作站和計算機系統。

MIPS是出現最早的商業(yè)RISC架構芯片之一。MIPS的系統結構及設計理念比較先進(jìn)，強調軟硬件協(xié)同提高性能，同時(shí)簡(jiǎn)化硬件設計。

2002年，中國科學(xué)院計算所開(kāi)始研發(fā)龍芯處理器，采用MIPS架構，但未經(jīng)MIPS公司的授權，遭到侵權的控告。2007年，中國科學(xué)院與MIPS公司達成和解，得到正式授權。中國龍芯2和前代產(chǎn)品采用的都是64位MIPS指令架構。過(guò)去，MIPS架構的產(chǎn)品多見(jiàn)于工作站領(lǐng)域，索尼PS2游戲機所用的“Emotion Engine”也采用MIPS指令，這些MIPS處理器的性能都非常強勁，而龍芯2也屬于這個(gè)陣營(yíng)，在軟件方面與上述產(chǎn)品完全兼容。

ARM與MIPS

與當前商業(yè)化最成功的ARM架構相比，MIPS的優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：

1、MIPS支持64bit指令和操作，ARM目前只到32bit 。

2、MIPS有專(zhuān)門(mén)的除法器，可以執行除法指令 。

3、MIPS的內核寄存器比ARM多一倍，所以同樣的性能下MIPS的功耗會(huì )比ARM更低，同樣功耗下性能比ARM更高。

4、MIPS指令比ARM稍微多一點(diǎn)，稍微靈活一點(diǎn)。

5、有觀(guān)點(diǎn)認為MIPS的bank寄存器性能也要好于A(yíng)RM，不過(guò)沒(méi)見(jiàn)過(guò)能反映出來(lái)的測試。

以上為MIPS對比ARM架構的優(yōu)勢，接下來(lái)我們再看一看MIPS架構的不足之處， 與ARM架構相比，MIPS架構也存在著(zhù)以下幾點(diǎn)不足：

1、MIPS的內存地址起始有問(wèn)題，這導致了MIPS在內存和cache的支持方面都有限制，現在的MIPS處理器單內核面對高容量?jì)却鏁r(shí)有問(wèn)題。

2、MIPS今后的發(fā)展方向是并行線(xiàn)程，類(lèi)似INTEL的超線(xiàn)程，而ARM未來(lái)的發(fā)展方向是物理多核，目前看來(lái)物理多核占優(yōu)。由此來(lái)看，我國的龍芯向多核發(fā)展還是頗具遠見(jiàn)的。

3、MIPS雖然結構更加簡(jiǎn)單，但是到現在還是順序單****，ARM已經(jīng)進(jìn)化到了亂序雙****，甚至NV的丹佛已經(jīng)是亂序三****了。

商業(yè)上二者差別也大，ARM很昂貴，而且不能隨意自行更改內核。而MIPS就要開(kāi)放的多了。(這也算龍芯為什么不采用ARM架構的原因了。)

ARM與X86架構

性能對比

X86結構的電腦無(wú)論如何都比ARM結構的系統在性能方面要快得多、強得多。X86的CPU的主頻隨便就是1GHZ以上、雙核、四核大行其道，現在通常使用22nm制程的工藝進(jìn)行生產(chǎn);而ARM方面：CPU通常是幾百兆，最近才出現1G左右的CPU，制程通常使用32nm或45nm制程的工藝，可以說(shuō)在性能和生產(chǎn)工藝方面ARM根本不是X86結構系統的對手。

但ARM的優(yōu)勢不在于性能強大而在于效率，ARM采用RISC流水線(xiàn)指令集，在完成綜合性工作方面根本就處于劣勢，而在一些任務(wù)相對固定的應用場(chǎng)合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。

擴展能力對比

X86結構的電腦采用“橋”的方式與擴展設備(如：硬盤(pán)、內存等)進(jìn)行連接，而且x86結構的電腦出現了近30年，其配套擴展的設備種類(lèi)多、價(jià)格也比較便宜，所以x86結構的電腦能很容易進(jìn)行性能擴展，如增加內存、硬盤(pán)等。

ARM結構的電腦是通過(guò)專(zhuān)用的數據接口使CPU與數據存儲設備進(jìn)行連接，所以ARM的存儲、內存等性能擴展難以進(jìn)行(一般在產(chǎn)品設計時(shí)已經(jīng)定好其內存及數據存儲的容量)，所以采用ARM結構的系統，一般不考慮擴展?；痉钚小皦蛴镁秃谩钡脑瓌t。

操作系統的兼容性

X86系統由微軟及Intel構建的Wintel聯(lián)盟一統天下，壟斷了個(gè)人電腦操作系統近30年，形成巨大的用戶(hù)群，也深深固化了眾多用戶(hù)的使用習慣，同時(shí)x86系統在硬件和軟件開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)形成統一的標準，幾乎所有x86硬件平臺都可以直接使用微軟的視窗系統及現在流行的幾乎所有工具軟件，所以x86系統在兼容性方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。

ARM系統幾乎都采用Linux的操作系統，而且幾乎所有的硬件系統都要單獨構建自己的系統，與其他系統不能兼容，這也導致其應用軟件不能方便移植，這一點(diǎn)一直嚴重制約了ARM系統的發(fā)展和應用。

GOOGLE開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式的Android系統后，統一了ARM結構電腦的操作系統，使新推出基于A(yíng)RM結構的電腦系，有了統一的、開(kāi)放式的、免費的操作系統，為ARM的發(fā)展提供了強大的支持和動(dòng)力。

軟件開(kāi)發(fā)的方便性及可使用工具的多樣性

軟件配套、軟件開(kāi)發(fā)工具的配套及兼容等工作，X86已經(jīng)到達非常成熟甚至可以說(shuō)是完美的境界。所以使用X86電腦系統不僅有大量的第三方軟件可供選擇也有大量的軟件編程工具可以 幫助您完成您所希望完成的工作。

Arm結構的電腦系統因為硬件性能的制約、操作系統的精簡(jiǎn)、以及系統兼容等問(wèn)題的制約，造成Arm結構的電腦系統不可能像X86電腦系統那樣有眾多的編程工具和第三方軟件可供選擇及使用，ARM的編程語(yǔ)言大多采用C和JAVA或C++。

因此，基于x86結構電腦系統平臺開(kāi)發(fā)軟件比arm結構系統更容易、更簡(jiǎn)單、實(shí)際成本也更低，同時(shí)更容易找到第三方軟件(免去自己開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本)，而且軟件移植更容易。

功耗對比

X86電腦因考慮要適應各種應用的需求，其發(fā)展思路是：性能+速度。20多年來(lái)x86電腦的速度從原來(lái)8088的幾M發(fā)展到現在隨便就是幾G，而且還是幾核，其速度和性能已經(jīng)提升了千、萬(wàn)倍，技術(shù)進(jìn)步使x86電腦成為大眾生活中不可缺少的一部分。但是x86電腦發(fā)展的方向和模式，使其功耗一直居高不下，一臺電腦隨便就是幾百瓦，即使是號稱(chēng)低功耗節能的手提電腦或上網(wǎng)本，也有十幾、二十多瓦的功耗，這與ARM結構的電腦就無(wú)法相比。

ARM的設計及發(fā)展思路是：滿(mǎn)足某個(gè)特殊方面的應用即可，在某一專(zhuān)項領(lǐng)域是最強的，(哪怕在其他方面一無(wú)是處)，這樣Arm以其不是最強的技術(shù)，同樣也不是很高級制程的制造工藝，生產(chǎn)出性能不是很強的電腦系統，但在某個(gè)專(zhuān)業(yè)應用方面則是最好的，特別是在眾多終端應用，尤其在移動(dòng)終端應用上占有絕對優(yōu)勢的統治地位，這個(gè)原因就是：耗耗。

高功耗導致了一系列X86系統無(wú)法解決的問(wèn)題出現：系統的續航能力弱、體積無(wú)法縮小、穩定性差、對使用環(huán)境要求高等問(wèn)題。從這里我們可以看到x86系統與ARM系統是在兩個(gè)完全不同領(lǐng)域方面的應用，他們之間根本不存在替換性，在服務(wù)器、工作站以及其他高性能運算等應用方面，是可以不考慮功耗和使用環(huán)境等條件時(shí)，X86系統占了優(yōu)絕對優(yōu)勢;但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務(wù)固定的情況下ARM就占有很大的優(yōu)勢，在手持式移動(dòng)終端領(lǐng)域，X86的功耗更使他英雄毫無(wú)用武之地。

從以上對比分析，給了我們的一個(gè)很清晰的感覺(jué)，ARM和X86結構的電腦根本就無(wú)法對比，ARM根本就不是X86電腦的的對手。如果只考慮上述幾個(gè)方面的要數，ARM確實(shí)無(wú)法與X86電腦競爭，甚至連比較的資格都沒(méi)有。但是近1、2年，ARM的產(chǎn)品在終端應用特別是手持終端應用飛速發(fā)展(如：智能手機、平板電腦等)，其銷(xiāo)售數量已經(jīng)遠遠超出x86結構的電腦銷(xiāo)售數量，可見(jiàn)ARM是具有其與X86結構電腦不可對比的優(yōu)勢。

X86系統和ARM系統應該是兩個(gè)完全不同領(lǐng)域的應用，如果功能單一又受到環(huán)境制約的應用，如：POS、ATM、多媒體廣告機(現已經(jīng)有ARM+DSP的產(chǎn)品)、車(chē)載電腦終端等應用，應該首先考慮ARM方案，ARM方案與X86相比，其功耗和成本占有很大優(yōu)勢。

現在A(yíng)RM很強大，但它距離X86還是非常遙遠，畢竟它們設計的出發(fā)點(diǎn)不一樣， X86無(wú)法做到ARM的功耗，而ARM也無(wú)法做到X86的性能。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。