CPU指令集架构

Posted 2023-04-02 多一些不为什么的坚持

tags:

篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了CPU指令集架构相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

参考资料：

目前市面上存在两种指令集架构类型:

Reduced Instruction Set Computing (RISC) 精简指令集，比如ARM,MIPS等
Complex Instruction Set Computing (CISC) 复杂指令集，比如Intel的X86等

简单说，一精简指令集就是只规定非常简单的2进制处理器指令，复杂的指令也只能是最基本的指令的叠加组合。二复杂指令集代表着本身就有一个很庞大的指令集库，一些复杂的指令已经在指令集库里，只需要调用即可。

当然，目前最火的当属基于RISC开发的ARM架构，在移动通信时代，凭借着低功耗打遍天下无敌手。手机，平板，自动驾驶等等等等，一招鲜吃遍天。而且RISC的构架也是ARM低功耗原因之一。RISC的CPU包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC的CPU包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。

X86，依靠强有力的Intel，强势控制产业链，获取价值链上最丰厚的那部分利润.

ARM，靠IP授权的商业模式，且技术上走与Intel差异化路线，加上一些些运气（踏对了手机这条路，谢谢TI-Nokia，Apple，Samsung for big.Little）走小而美的路线，但是凭借已经形成巨大的生态系统，占据优势.

MIPS，很学术很精美很帅，但是对指令集控制松散，导致生态系统分裂，没有形成合力，最终被市场抛弃。　

下面就看一下最学术最精美的MIPS的指令集是个什么样子吧。首先了解一下CPU的工作原理，如下图:

计算机组成原理 — CPU — 指令集架构类型

主流 CPU 指令集架构

CISC（复杂指令集计算机）

CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）是一种计算机语言指令集，每个指令可执行若干个低级操作，诸如：存储器数据存取和计算操作，全都集于一条指令之中。复杂指令集的特点是指令数目多而复杂，每条指令的字长并不相等，计算机处理器必须加以判读，并为此付出了性能的代价。而 CISC 的好处在于其更趋近于跨越了与高级编程语言的 “语义鸿沟”，提供了更 “高端” 的指令以支持高级编程语言的语义，例如：判断、循环、函数调用、返回等高级指令。

x86 系列处理器

从 1978 年 6 月 8 日，Intel 公司发布新款 16 位微处理器 8086，开创 x86 架构时代算起，Intel x86（The X86 architecture）架构已经四十多年了，是世界上设计、生产、制造最多的 CPU 体系之一。Intel 从 8086 开始，到 286、386、486、586、P1、P2、P3、P4、i3、i5、i7、i9 都使用了 x86 架构。所谓 x86 指的是一个 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语言指令集合，定义了芯片的基本使用规则。

RISC（精简指令集计算机）

RISC 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。

性能特性：

由于指令集简化后，流水线以及常用指令均可用硬件执行；
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；
采用 “缓存-主存-外存” 三级存储结构，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。

ARM 系列处理器

ARM（Advanced RISC Machine，进阶精简指令集机器，更早称作：Acorn RISC Machine）架构，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。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 ARM 的存在。

优势：价格低、能耗低；
ARM 的商业授权模式：ARM 公司本身并不靠自有的设计来制造或出售计算机处理器，而是将 ARM 架构授权给有兴趣的厂家。
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）

PowerPC 系列处理器

PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器，其基本的设计源自 IBM 的 IBM PowerPC 601 微处理器 POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC，增强 RISC 性能优化）架构。二十世纪九十年代，IBM、Apple 和 Motorola 公司成功开发出 PowerPC 芯片，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 PC（Personal Computer）级 CPU 存在非常显著的区别。

MIPS 架构

MIPS（Microprocessor without interlocked piped stages，无内部互锁流水级的微处理器）是世界上很流行的一种 RISC 处理器，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。

Wave Computing 公司在 2018 年 12 月 17 日宣布开源 MIPS，MIPS 指令集架构（ISA）和 MIPS 的最新核心 R6 将于 2019 年第一季度公开发布。在国内，龙芯很长一段时间都在用 MIPS，直到 RISC-V 出现并得到广泛关注，今年 MIPS 也开源了，但对标 RISC-V 慢了一步。虽说，MIPS 仍有竞争力，只是如果它早几年开源的话，RISC-V 或许不会出现。

RISC-V 架构

RISC-V（读作 “RISC-FIVE”）是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），V 表示为第五代 RISC。与大多数指令集相比，RISC-V 指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售 RISC-V 芯片和软件。虽然这不是第一个开源指令集，但它具有重要意义，因为其设计使其适用于现代计算设备（如：仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统）。设计者考虑到了这些用途中的性能与功率效率。该指令集还具有众多支持的软件，这解决了新指令集通常的弱点。

RISC-V 项目在 2010 年始于加州大学柏克莱分校，但许多贡献者是该大学以外的志愿者和行业工作者。RISC-V 指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的现实情况来实做，但并没有对特定的微架构做过度的设计。截至 2017 年 5 月，RISC-V 已经确立了版本 2.22 的用户空间的指令集（User Space ISA），而特权指令集（Privileged ISA）也处在草案版本 1.10。