优化系列汇编优化技术：主流CPU架构简介

Posted 2021-09-06 飞翔的鲲

DATE: 2021.8.15

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文章目录

• • 1、指令集架构
  • 2、ARM架构
  • 3、x86架构/Atom处理器
  • 4、MIPS架构
  • 5、PowerPC（PPC）架构
  • 6、LoongArch架构

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1、指令集架构

RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于80年代的MIPS主机（即RISC机），RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来，它能够以更快的速度执行操作（每秒执行更多百万条指令，即MIPS）。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢。

• 性能特点一：由于指令集简化后，流水线以及常用指令均可用硬件执行；
• 性能特点二：采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之间进行，提高了处理速度；
• 性能特点三：采用缓存—主机—外存三级存储结构，使取数与存数指令分开执行，使处理器可以完成尽可能多的工作，且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。

其中ARM/MIPS/PowerPC均是基于精简指令集机器处理器的架构；X86则是基于复杂指令集的架构，Atom是x86或者是x86指令集的精简版。

根据各种新闻，android在支持各种处理器的现状：
ARM+Android最早发展、完善的支持，主要在手机市场、上网本、智能等市场；
X86+Android有比较完善的发展。有atom+Android的上网本，且支持Atom+Android
和 Atom+Window7双系统；
MIPS+Android目前在移植、完善过程中；
Powpc+Android目前在移植、完善过程中。

2、ARM架构

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。
    生产厂商：TI（德州仪器）/Samsung（三星）/Freescale（飞思卡尔）/Marvell（马维尔）/Nvidia（英伟达）

3、x86架构/Atom处理器

x86或80x86是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。

4、MIPS架构

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 interlockedpipedstages)，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。

1984年，MIPS计算机公司成立，开始设计RISC处理器；
1986年推出R2000处理器。
1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。
1988年推R3000处理器。
1991年推出第一款64位商用微处器R4000；之后又陆续推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型号。
1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司；随后，MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统；1998年－MIPS科技股票在美国纳斯达克股票交易所公开上市。
1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。MIPS公司陆续开发了高性能、低功耗的32位处理器内核（core）MIPS324Kc与高性能64位处理器内核MIPS645Kc。
2000年，MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。

2007年8月16日－MIPS科技宣布，中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。
2007年12月20日－MIPS科技宣布，扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可定制化系统单芯片（SoC）核心“MIPS32 24KEcPro”授权。

5、PowerPC（PPC）架构

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IBMPowerPC601 微处理器POWER（PerformanceOptimized 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。

6、LoongArch架构

龙芯CPU是中国科学院计算所自主研发的通用CPU，采用RISC指令集，类似于MIPS指令集。

龙芯1号的频率为266MHz，最早在2002年开始使用。龙芯2号的频率最高为1GHz。龙芯3A是首款国产商用4核处理器，其工作频率为900MHz～1GHz。龙芯3A的峰值计算能力达到16GFLOPS。龙芯3B是首款国产商用8核处理器，主频达到1GHz，支持向量运算加速，峰值计算能力达到128GFLOPS，具有很高的性能功耗比。

龙芯3A3000/3B3000是龙芯3号系列处理器的最新升级产品，基于龙芯3A2000设计，龙芯3A3000进行了结构上的少量改进，增加处理器核关键队列项数，扩充片上私有/共享缓存容量等。实测主频在1.5GHz以上，访存接口满足DDR3-1600规格。

龙芯指令系统LoongISA在MIPS64架构500多条指令基础上，在基础指令、虚拟机指令、面向X86和ARM的二进制翻译指令、向量指令四个方面增加了近1400条新指令。
龙芯在获得MIPS永久授权的同时，自行扩展了：

• 148条LoongEXT指令
• 5条LoongVM指令
• 213条LoongBT指令
• 1014条LoongSIMD指令

将MIPS原本的527条指令，扩展为1907条，发展成为龙芯自己的LoongISA,可以自主扩展指令集，在发展方向上可以自主选择。

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THE END！