#2021年底大盘点# 处理器架构

Posted 2021-12-14 西鼠

中央处理单元(CPU)主要由运算器、控制器、寄存器三部分组成，从字面意思看运算器就是起着运算的作用，控制器就是负责发出CPU每条指令所需要的信息，寄存器就是保存运算或者指令的一些临时文件，这样可以保证更高的速度。

CPU有着处理指令、执行操作、控制时间、处理数据四大作用，打个比喻来说，CPU就像我们的大脑，帮我们完成各种各样的生理活动。因此如果没有 CPU，那么电脑就是一堆废物，无法工作。移动设备其实很复杂，这些CPU需要执行数以百万计的指示，才能使它向我们期待的方向运行。CPU的速度和功率效率是至关重要的，速度影响用户体验，而效率影响电池寿命。最完美的移动设备是高性能和低功耗相结合。

一、处理器架构

CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标示。

从CPU发明到现在，有非常多种架构，从我们熟悉的X86、ARM，到不太熟悉的MIPS、IA64，它们之间的差距都非常大。但是如果从最基本的逻辑角度来分类的话，它们可以被分为两大类，即所谓的“复杂指令集”与“精简指令集”系统，也就是经常看到的“CISC”与“RISC”。

二、ARM系列

ARM架构，过去称作进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine，更早称作：Acorn RISC Machine），是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于行动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。

在今日，ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机）到电脑外设（硬盘、桌上型路由器）甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。在此还有一些基于ARM设计的派生产品，重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。

优势：价格低；能耗低；

ARM 授权方式：ARM 公司本身并不靠自有的设计来制造或出售 CPU ，而是将处理器架构授权给有兴趣的厂家。ARM 提供了多样的授权条款，包括售价与散播性等项目。对于授权方来说，ARM 提供了 ARM 内核的整合硬件叙述，包含完整的软件开发工具（编译器、debugger、SDK），以及针对内含 ARM CPU 硅芯片的销售权。对于无晶圆厂的授权方来说，其希望能将 ARM 内核整合到他们自行研发的芯片设计中，通常就仅针对取得一份生产就绪的智财核心技术（IP Core）认证。对这些客户来说，ARM 会释出所选的 ARM 核心的闸极电路图，连同抽象模拟模型和测试程式，以协助设计整合和验证。需求更多的客户，包括整合元件制造商（IDM）和晶圆厂家，就选择可合成的RTL（暂存器转移层级，如 Verilog）形式来取得处理器的智财权（IP）。借着可整合的 RTL，客户就有能力能进行架构上的最佳化与加强。这个方式能让设计者完成额外的设计目标（如高震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等）而不会受限于无法更动的电路图。虽然 ARM 并不授予授权方再次出售 ARM 架构本身，但授权方可以任意地出售制品（如芯片元件、评估板、完整系统等）。商用晶圆厂是特殊例子，因为他们不仅授予能出售包含 ARM 内核的硅晶成品，对其它客户来讲，他们通常也保留重制 ARM 内核的权利。

三、x86系列/Atom处理器

xx86或80x86是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。

x86架构是重要地可变指令长度的CISC（复杂指令集电脑，Complex Instruction Set Computer）。

Intel Atom（中文：凌动，开发代号：Silverthorne）是Intel的一个超低电压处理器系列。处理器采用45纳米工艺制造，集成4700万个晶体管。L2缓存为512KB，支持SSE3指令集，和VT虚拟化技术（部份型号）。

现时，Atom处理器系列有6个型号，全部都是属于Z500系列。它们分别是Z500、Z510、Z520、Z530、Z540和Z550。最低端的Z500内核频率是800MHz，FSB则是400MHz。而最高速的Z550，内核频率则有2.0GHz，FSB则是533MHz。从Z520开始，所有的处理器都支持超线程技术，但只增加了不到10%的耗电。双内核版本为N系列，依然采用945GC芯片组。双内核版本仍会支持超线程技术，所以系统会显示出有4个逻辑处理器。这个版本的两个内核并非采用本地设计，只是简单的将两个单内核封装起来。

四、MIPS系列

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。

MIPS技术公司是美国著名的芯片设计公司，它采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比，RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应用更多先进的技术，开发更快的下一代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一，新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并增加了许多更强大的功能。MIPS自己只进行CPU的设计，之后把设计方案授权给客户，使得客户能够制造出高性能的CPU。

五、PowerPC系列

PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的IBM PowerPC 601 微处理器POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect 电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”）架构。二十世纪九十年代，IBM(国际商用机器公司)、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。

PowerPC 处理器有广泛的实现范围，包括从诸如 Power4 那样的高端服务器 CPU 到嵌入式 CPU 市场（任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC）。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O，该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常显著的区别。