主流的CPU架构

Posted 2023-04-09 咸鱼弟

cpu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，是为了区分不同类型CPU的重要标示。目前市面上的CPU分类主要分有两大阵营，一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU，另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。两个不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，例如，Intel、AMD的CPU是X86架构的，而IBM公司的CPU是PowerPC架构，ARM公司是ARM架构。

一、X86架构

        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。

二、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。

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，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。流水线处理方式

Ps : RISC和CISC

• RISC：精简指令集处理器，Reduced Instruction Set ComputerRISC结构简单，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

• CISC：复杂指令集处理器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CISC指令复杂，指令长度与周期不固定，在处理能力上有优势

三、RISC-V架构

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。它可以根据具体场景选择适合指令集的指令集架构。基于RISC-V 指令集架构可以设计服务器CPU，家用电器CPU，工控CPU和用在比指头小的传感器中的CPU。

四、MIPS架构

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。

x86是PC和服务器的主流，ARM是移动设备的主流，RISC-V可能是未来的主流。

五、ARM与X86架构比较

性能对比

X86结构的电脑无论如何都比ARM结构的系统在性能方面要快得多、强得多。X86的CPU的主频随便就是1GHZ以上，双核、四核大行其道，现在通常使用22nm制程的工艺进行生产；而ARM方面，其CPU通常是几百兆，最近才出现1G左右的CPU，制程通常使用32nm或45nm制程的工艺，可以说在性能和生产工艺方面ARM根本不是X86结构系统的对手。

但ARM的优势不在于性能强大而在于效率，ARM采用RISC流水线指令集，在完成综合性工作方面根本就处于劣势，而在一些任务相对固定的应用场合其优势就能发挥得淋漓尽致。

扩展能力对比

X86结构的电脑采用“桥”的方式与扩展设备(如硬盘、内存等)进行连接，而且x86结构的电脑出现了近30年，其配套扩展的设备种类多，价格也比较便宜，所以x86结构的电脑能很容易进行性能扩展，如增加内存、硬盘等。

ARM结构的电脑是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接，所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行(一般在产品设计时已经定好其内存及数据存储的容量)，所以采用ARM结构的系统，一般不考虑扩展，基本奉行“够用就好”的原则。

操作系统的兼容性

X86系统由微软及Intel构建的Wintel联盟一统天下，垄断了个人电脑操作系统近30年，形成巨大的用户群，也深深固化了众多用户的使用习惯，同时x86系统在硬件和软件开发方面已经形成统一的标准，几乎所有x86硬件平台都可以直接使用微软的视窗系统及现在流行的几乎所有工具软件，所以x86系统在兼容性方面具有无可比拟的优势。

ARM系统几乎都采用Linux的操作系统，而且几乎所有的硬件系统都要单独构建自己的系统，与其他系统不能兼容，这也导致其应用软件不能方便移植，这一点一直严重制约了ARM系统的发展和应用。

GOOGLE开发了开放式的android系统后，统一了ARM结构电脑的操作系统，使新推出基于ARM结构的电脑系，有了统一的、开放式的、免费的操作系统，为ARM的发展提供了强大的支持和动力。

软件开发的方便性及可使用工具的多样性

软件配套、软件开发工具的配套及兼容等工作，X86已经到达非常成熟甚至可以说是完美的境界。所以使用X86电脑系统不仅有大量的第三方软件可供选择也有大量的软件编程工具可以 帮助您完成您所希望完成的工作。

Arm结构的电脑系统因为硬件性能的制约、操作系统的精简、以及系统兼容等问题的制约，造成Arm结构的电脑系统不可能像X86电脑系统那样有众多的编程工具和第三方软件可供选择及使用，ARM的编程语言大多采用C和JAVA或C++。

因此，基于x86结构电脑系统平台开发软件比arm结构系统更容易、更简单、实际成本也更低，同时更容易找到第三方软件(免去自己开发的时间和成本)，而且软件移植更容易。

功耗对比

X86电脑因考虑要适应各种应用的需求，其发展思路是：性能+速度。20多年来x86电脑的速度从原来8088的几M发展到现在随便就是几G，而且还是几核，其速度和性能已经提升了千、万倍，技术进步使x86电脑成为大众生活中不可缺少的一部分。但是x86电脑发展的方向和模式，使其功耗一直居高不下，一台电脑随便就是几百瓦，即使是号称低功耗节能的手提电脑或上网本，也有十几、二十多瓦的功耗，这与ARM结构的电脑就无法相比。

ARM的设计及发展思路是：满足某个特殊方面的应用即可，在某一专项领域是最强的，(哪怕在其他方面一无是处)，这样Arm以其不是最强的技术，同样也不是很高级制程的制造工艺，生产出性能不是很强的电脑系统，但在某个专业应用方面则是最好的，特别是在众多终端应用，尤其在移动终端应用上占有绝对优势的统治地位，这个原因就是：功耗。

高功耗导致了一系列X86系统无法解决的问题出现：系统的续航能力弱、体积无法缩小、稳定性差、对使用环境要求高等问题。从这里我们可以看到x86系统与ARM系统是在两个完全不同领域方面的应用，它们之间根本不存在替换性，在服务器、工作站以及其他高性能运算等应用方面，是可以不考虑功耗和使用环境等条件时，X86系统占了优绝对优势。但受功耗、环境等条件制约且工作任务固定的情况下ARM就占有很大的优势，在手持式移动终端领域，X86的功耗更使它英雄毫无用武之地。

从以上对比分析，给了我们的一个很清晰的感觉，ARM和X86结构的电脑根本就无法对比，ARM根本就不是X86电脑的的对手。如果只考虑上述几个方面的要数，ARM确实无法与X86电脑竞争，甚至连比较的资格都没有。但是近1、2年，ARM的产品在终端应用特别是手持终端应用飞速发展(如：智能手机、平板电脑等)，其销售数量已经远远超出x86结构的电脑销售数量，可见ARM是具有其与X86结构电脑不可对比的优势。

X86系统和ARM系统应该是两个完全不同领域的应用，如果功能单一又受到环境制约的应用，如：POS、ATM、多媒体广告机(现已经有ARM+DSP的产品)、车载电脑终端等应用，应该首先考虑ARM方案，ARM方案与X86相比，其功耗和成本占有很大优势。

现在ARM很强大，但它距离X86还是非常遥远，毕竟它们设计的出发点不一样， X86无法做到ARM的功耗，而ARM也无法做到X86的性能。不过这也不意味着ARM以后就只能占据低端，毕竟任何架构都有其优点，一旦有应用针对其进行优化，那么就可以扬长避短。X86的繁荣也正是因为整个世界的资源都针对它进行了优化所致。只要能为ARM找到合适的应用与适合的领域，未来ARM也未必不可以进入更高的层次。
 

参考文献：

处理器架构_百度百科

四大主流cpu架构是什么-常见问题-PHP中文网

优化系列汇编优化技术：主流CPU架构简介

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！