[架构之路-13]：目标系统 - 硬件平台 - 五种主流CPU架构的比较（CISC X86RISC ARMRISC PowerPCRISC MIPSRISC-V）

Posted 2022-10-03 文火冰糖的硅基工坊

目录

第1章 CISC VS RISC指令集

第2章 CISC X86

第3章 RISC架构

3.1 ARM架构

3.2 PowerPC

3.3 MIPS

3.4 RISC-V

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第1章 CISC VS RISC指令集

中央处理器（CPU）是智能设备的大脑。它的任务是通过执行一系列指令来驱动的设备，包括显示屏、触摸屏、调制解调器等，计算机硬件编程了智能的机器 。

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。

根据CPU执行指令的复杂性，目前市面上的CPU架构分为两大阵营：

一个是intel、AMD为首的复杂指令集 CISC CPU ，称为X86架构系列。

另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集 RISC CPU，代表的有IBM的PowerPC架构，ARM公司是ARM架构和MIPS的MIPs系列。

CISC架构：侧重于硬件执行指令的功能性，CISC指令及处理器的硬件结构复杂
CISC指令复杂，指令长度与周期不固定，在处理能力上有优势。

RISC架构：简单，选取了使用频率高的简单指令，指令长度固定，多为单周期指令
在功耗、体积、价格等方面有很大优势，多用于嵌入式领域。

RICC架构进一步又分为：

（1）ARM 

（2）PowerPC

（3）MIPS

（4）RISC-V

注：

目前x86是PC和服务器的主流，ARM是移动设备的主流，RISC-V可能是未来的PC和移动城堡的主流。未来一段时间，将是x86、ARM、RISC-V三分天下的态势。

第2章 CISC X86

X86是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个Intel通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。1978年6月8日，Intel 发布了新款16位微处理器 8086，也同时开创了一个新时代：X86架构诞生了。

X86指令集是美国Intel公司为其第一块16位CPU（i8086）专门开发的，美国IBM公司1981年推出的世界第一台PC机中的CPU–i8088（i8086简化版）使用的也是X86指令。

采用CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）架构。与采用RISC不同的是，在CISC处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。

随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的 Pentium 4系列，但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。

第3章 RISC架构

3.1 ARM架构

ARM是高级精简指令集的简称（Advanced RISC Machine），它是一个32位的精简指令集（RISC）架构，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

起初，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。如今，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，从可携式装置到电脑外设甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有它的存在。

体积小、低功耗、低成本、高性能——ARM被广泛应用在嵌入式系统中的最重要的原因支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。

Load_store结构：在RISC中，CPU的计算不直接操作内存，所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在CSIC中，CPU是可以直接对内存进行操作的。

并且ARM采用流水线处理方式处理，增加了指令处理的效率 。

目前，ARM架构也正在进军传统的服务器市场。

3.2 PowerPC

POWER PC是由摩托罗拉公司和苹果公司联合开发的高性能32位和64位RISC微处理器系列。

由摩托罗拉公司和苹果公司联合开发的高性能32位和64位RISC微处理器系列,以与垄断PC机市场的Intel微处理器和微软公司的软件相竞争。PowerPC微处理器1994年推出。因此,基于PowerPC的计算机通过在PowerPC上运行一个特殊程序就可运行DOS或传统的Macintosh软件,这种特殊程序可分别识别和执行80386或68030CPU的机器指令。

IBM以前跟Intel竞争过桌面处理器市场，但由于市场策略不当等原因，IBM没赚到什么钱，于是决定退出桌面市场。POWER系列处理器是它退出桌面市场后才开发出来的服务器用处理器，苹果电脑用的处理器只是Power系列里的一种，据说是IBM为苹果特制的简化版本，而苹果独一无二的经营理念使苹果电脑与其它PC都不兼容，所以目前的Power系列处理器不能用于桌面PC。目前苹果电脑因PowerPC处理器不适合苹果发展而转而使用Intel处理器。

目前，PowerPC已经逐渐退出市场，很难看到PowerPC的身影了。

3.3 MIPS

MIPS架构（MIPS architecture，为Microprocessor without interlocked piped stages architecture的缩写，亦为Millions of Instructions Per Second的相关语），是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，1981年出现，由MIPS科技公司开发并授权，广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。

MIPS架构是基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用 导入/存储（Load/Store）数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。

如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。

它的基本特点是：

• 包含大量的寄存器、指令数和字符可视的管道延时时隙

这些特性使MIPS架构能够提供最高的每平方毫米性能和当今SoC设计中最低的能耗。

3.4 RISC-V

RISC-V 架构是基于 精简指令集计算（RISC）原理建立的开放指令集架构（ISA），RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。

RISC-V 指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。

RISC-V 架构的起步相对较晚，但发展很快。

它还可以根据具体场景选择适合指令集的指令集架构，为了进一步降低CPU的体积和能耗，还可以更加需要删减CPU的指令集，这种特性使得RISC-V可用于超低功耗的场合 。

基于RISC-V 指令集架构可以用于服务器CPU，家用电器CPU，工控CPU和用在比指头小的传感器中的CPU。