cpu：编程中的CPU架构知识（指令集：x86armrisc-vloongarc）

Posted 2023-04-04 jackletter

参考：

1. 问题

你是否有下面的问题？

• 什么是指令集架构？
• RISC-V是个什么鬼，好像最近很火呢？
• ARM是个啥？
• AMD和ARM有关系吗？
• x86是intel公司的专属吗？
• 下载linux操作系统的时候，经常让选择架构？amd64和x86什么区别？

2. 从指令集概念说起

广义上指令集分为两类：RISC(精简指令集) 和 CISC(复杂指令集)。
它们的区别是什么呢？

• CISC(Complex Instruction Set Computer)，设计思路是用一条指令完成一个复杂的基本功能；

• RISC(Reduced Instruction Set Computer)，设计思路是一条指令完成一个基本“动作”，多条指令组合完成一个复杂的基本功能。

两大指令集各有优缺点：

• CISC相对于RISC较重，支持的指令多，功能强大，但功耗也大，适合PC机（也是事实上PC机的霸主）；
• RISC相对于CISC较轻，功耗也小，适合手机等便携设备（也是现在手机上霸主）；

但，需要注意，RISC 和 CISC都只是概念上的分类。。。

3. 指令集架构

上面，我们说CISC和RISC只是概念上的分类，那么具体都有哪个架构呢？

• CISC：x86；
• RISC：arm、RISC-V、LoongArc、MIPS；

3.1 x86架构

虽然x86这个名字起源于Intel，但这种架构不是Intel公司的专属，而且x86也不仅仅指32位处理器，它也可以表示64位处理器。

有的时候，我们也能看到x86_x64、amd64等说法，那是因为某些情况下需要明显区分32位和64位。

那么，为什么我们会认为x86就是32位系统呢？
其实，这也是历史命名的问题：
早期，Intel公司推出一系列的8086、80186，80286等芯片，将它们统一称为x86，但此时它还只是32位架构，后来AMD公司对它进行了扩展，率先推出了amd64（64位）处理器，然后Intel也推出了64位处理器，为了明显区分之前的，就称之为x86_x64，其实，它们都是对原有x86架构的一种扩展而已。

讲到这里不得不说两大公司Intel和AMD。。。

Intel自不用多说，早期的奔腾系列，现在的PC机的酷睿系列、服务器的至强系列都占据了很大市场。

AMD早期做Intel的代工厂，后来Intel觉察到了AMD的威胁，果断禁止AMD生产intel研发的X86芯片，从此AMD正式走上了自主研发的道路，后来与Intel的诉讼中胜诉，可以自行生产兼容x86架构的芯片了，从此x86不再是Intel的专属，AMD 和 Intel 在CPU上开始了漫长的拉扯。。。

它们两家在历史上都有各自的辉煌期，都是碾压对方的存在，不过当前Intel致力于转型为以数据为中心的研发，而AMD在收购了ati后也成为了同时研发CPU和显卡的公司。

具体它们的历史，可以自行百度，或参考：《intel和amd处理器发展历史》

3.2 ARM

arm既是一个公司，也是一种架构（arm和amd并没有什么关系）。

arm早期成立时也类似于Intel和AMD自己生产芯片销售，但迫于资金压力，转为卖授权，由此，arm架构的芯片称为了手机和嵌入等设备的霸主。

直接看百度百科对arm公司的介绍：

3.3 RISC-V

或许是因为arm要被英伟达收购，RISC-V这一个开源的cpu架构最近活了起来（国内国外厂商都积极加入，如：华为海思、阿里平头哥等），但pc已被x86占据，移动端也被arm吞噬，RISC-V的未来主战场或许在处在萌芽阶段的物流网市场。

注意：RISC-V相比于x86和arm还有很多不足，许多基础设施还不完善。

3.4 LoongArc

这是国产自动知识产权的芯片。由龙芯中科设计，据宣传：

后续如何，可以期待。

3.5 MIPS

MIPS公司研发的一种RISC架构，用在网关、机顶盒、路由等设备上较多，一般我们程序员接触的比较少，不过多介绍，可以参考百度百科：

4. 汇编的语法

汇编语言是依赖于硬件的，更准确的说是依赖于cpu的指令集架构，所以，每种架构理论上都有自己的汇编语法。

4.1 x86汇编：

有两种风格的语法：Intel 和 AT&T，前者是Intel的专属，一般我们在window上做汇编基于此；而后者多用在linux上。具体可参考：《汇编格式 AT&T 与 Intel》，截图如下：

4.2 arm汇编：

arm这种架构有自己的汇编语言，不过，我们不做嵌入式开发，接触的少，我们可以去官网上查看它的编译器：

4.3 RISC-V汇编：

也有自己的汇编，可以百度支持它的语法和编译器
- 官网：https://riscv.org/
- github地址：https://github.com/riscv

4.4 LoongArc汇编：

也有自己的汇编，可以去官网看看：https://www.loongson.cn/
根据资料显示，gcc 12.1+，linux5.9+ 、FFmpeg5.0+、dotnetcore 3.1都已支持 LoongArc架构。

5. 常见关于架构的问题

5.1 下载操作系统时cpu架构的选择

我们在下载操作系统的时候，经常会让我们选择cpu架构，如：

5.1.1 centos：

5.1.2 ubuntu

5.1.3 debian

5.2 下载其他软件时的cpu架构选择

有的时候，我们下载某些软件的时候也是要选择cpu架构的，如：

5.2.1 dotnet

5.2.2 linux上安装软件时

6. 补充手机上cpu的市场

手机上的cpu厂商基本上都是买的arm公司的授权，比如：高通、华为、联发科。

但手机的cpu不止要有pc机上的功能，还要有通信技术，其中有个CMDA，早期高通在这个上面大量研发，申请了很多专利，导致现在其他的手机厂商都要向高通支付昂贵的专利费（苹果也不例外，为此还打了官司，还没打赢，后来就自研了，比如：A系列、M1等）。。。

在手机市场上，Intel也想过，也尝试过，奈何自己不行，现在也不怎么做手机了，就像微软当时要做Window Mobile一样，最后也没了声响。

回顾概念：CPU指令集指令集架构

一、CPU（中央处理器）

　　中央处理器(CPU,central Processing Unit)是一块超大规模的集成电路，是一台计算机的运算核心(Core)和控制核心(Control Unit)。他的主要功能是解释计算机指令(指令是指示计算机执行某种操作的命令。它由一串二进制数码组成)以及处理计算机软件中的数据。

　　微处理器由一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器。

　　CPU可以分为：4位微处理器、8位微处理器、16位微处理器、32位微处理器以及最新的64位微处理器。

　　中央处理器主要包括运算器（算术逻辑运算单元，ALU，Arithmetic Logic Unit）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。它与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为电子计算机三大核心部件。

　　主要功能：处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。

工作过程：

　　第一阶段：提取，从存储器(存放程序和数据的器件)或高速缓冲存储器(存在于主存与CPU之间的一级存储器， 由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多， 接近于CPU的速度)中检索指令(为数值或一系列数值)。有程序计数器指定存储器的位置。

　　第二阶段：解码，CPU根据存储器提取到的指令来决定其执行行为。在解码阶段，指令被拆解为有意义的片段。根据CPU的指令集架构（ISA）定义将数值解译为指令。一部分的指令数值为运算码（Opcode），其指示要进行哪些运算。其它的数值通常供给指令必要的信息，诸如一个加法（Addition）运算的运算目标。

　　第三阶段：执行，在提取和解码阶段之后，紧接着进入执行阶段。该阶段中，连接到各种能够进行所需运算的CPU部件。

　　第四阶段：写回，以一定格式将执行阶段的结果简单的写回。运算结果经常被写进CPU内部的暂存器，以供随后指令快速存取。在执行指令并写回结果之后，程序计数器值会递增，反覆整个过程，下一个指令周期正常的提取下一个顺序指令。

二、指令集

　　CPU依靠指令来自计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一。

从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分（指令集共有四个种类）。

　　CISC指令集，也称为复杂指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computing的缩写）。x86CPU主要有intel的服务器CPU和AMD的服务器CPU两类。

　　RISC是英文“Reduced Instruction Set Computing ”的缩写，中文意思是“精简指令集”。在中高档服务器中采用RISC指令的CPU主要有以下几类：PowerPC处理器、SPARC处理器、PA-RISC处理器、MIPS处理器、Alpha处理器。

三、指令集架构

　　微处理器的指令集架构（ISA，Instruction Set Architecture）常见种类如下： 复杂指令集运算（Complex Instruction Set Computing，CISC）；精简指令集运算（Reduced Instruction Set Computing，RISC） ；显式并行指令集运算（Explicitly Parallel Instruction Computing，EPIC）；超长指令字指令集运算（VLIW）。

　　CISC：主要针对的操作系统是微软的Windows。另外Linux，一些UNIX等都可以运行在x86（CISC）架构的微处理器。

　　参考百度百科：https://baike.baidu.com/item/中央处理器/284033?fr=aladdin