【轉(zhuǎn)】深入了解CPU兩大架構(gòu)ARM與X86

來自：https://blog.csdn.net/u014641018/article/details/53484565

　

?重溫下CPU是什么

??????? 中央處理單元（CPU）主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器三部分組成，從字面意思看運(yùn)算器就是起著運(yùn)算的作用，控制器就是負(fù)責(zé)發(fā)出CPU每條指令所需要的信息，寄存器就是保存運(yùn)算或者指令的一些臨時(shí)文件，這樣可以保證更高的速度。

??????? CPU有著處理指令、執(zhí)行操作、控制時(shí)間、處理數(shù)據(jù)四大作用，打個(gè)比喻來說，CPU就像是我們的大腦，幫我們完成各種各樣的生理活動(dòng)。因此，如果沒有CPU，那么電腦就是一堆廢物，無法工作。移動(dòng)設(shè)備其實(shí)很復(fù)雜，這些CPU需要執(zhí)行數(shù)以百計(jì)的指示，才能使他向我們期待的方向運(yùn)行，而CPU的速度和效率是至關(guān)重要的。速度影響用戶體驗(yàn)，而效率影響電池壽命。最完美的移動(dòng)設(shè)備是高性能和低功耗的相結(jié)合。

??????? 要了解X86和ARM，就得了解復(fù)雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）從CPU發(fā)明到現(xiàn)在，有多種架構(gòu)，從我們熟悉的X86，ARM,到不太熟悉的MIOS,IA64，他們之間的差距都非常大。但是如果從最基本的邏輯角度來分類的話，他們可以被分為兩大類，即所謂的“復(fù)雜指令集”與“精簡指令集”系統(tǒng)，也就是經(jīng)常看到的“CISC”與“RISC”。Intel和ARM處理器的第一個(gè)區(qū)別是，前者使用復(fù)雜指令集（CISC），而后者使用精簡指令集（RISC）。屬于這兩種類中的各種架構(gòu)之間的最大的區(qū)別，在于他們的設(shè)計(jì)者考慮問題方式的不通。

??????? 我們可以繼續(xù)舉個(gè)例子，比如說我們要命令一個(gè)人吃飯，那么我們應(yīng)該怎么命令呢？我們可以直接對(duì)他人下達(dá)“吃飯”的命令，也可以命令他“先拿勺子，然后舀起一勺飯，然后張嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。從這里可以看到，對(duì)于命令別人做事這樣一件事情，不同的人有不同的理解，有人認(rèn)為，如果我首先給接受命令的人以足夠的訓(xùn)練，讓他掌握各種復(fù)雜技能（即在硬件中實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的復(fù)雜功能），那么以后就可以用非常簡單的命令讓他去做和復(fù)雜的事情--比如只要說一句“吃飯”，他就會(huì)吃飯，但是也有人人為這樣會(huì)讓事情變得復(fù)雜，畢竟接受命令的人要做的事情很復(fù)雜，如果這時(shí)候想讓他吃菜怎么辦？難道繼續(xù)訓(xùn)練他吃菜的方法？我們?yōu)槭裁床豢梢园咽虑榉譃樵S多非常基本的步驟，這樣只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同樣的工作，無非是下達(dá)命令的人稍微累一點(diǎn)——比如現(xiàn)在我要他吃菜，只要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”，問題就解決了，多么簡單。這就刪“復(fù)雜指令集”和“精簡指令集”的邏輯區(qū)別。

??????? 從幾個(gè)方面比較ARM與X86架構(gòu)Intel和ARM的處理器除了最本質(zhì)的復(fù)雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）的區(qū)別之外，下面我們?cè)購囊韵聨讉€(gè)方面對(duì)比下ARM和X86架構(gòu)。一、制造工藝ARM和intel處理器的一大區(qū)別是ARM從來只是設(shè)計(jì)低功耗處理器，Intel的強(qiáng)項(xiàng)是設(shè)計(jì)超高性能的臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器處理器。

??????? 一直以來，intel都是臺(tái)式機(jī)的服務(wù)器行業(yè)的老大。然而進(jìn)入移動(dòng)行業(yè)時(shí)，intel依然使用和臺(tái)式機(jī)同樣的復(fù)雜指令集架構(gòu)，試圖將其硬塞入給移動(dòng)設(shè)備使用的體積較小的處理器中。但是intel i7處理器的平均發(fā)熱率為45瓦。基于ARM的片上系統(tǒng)（其中包括圖形處理器）的發(fā)熱率的最大瞬間峰值大約是3瓦，約為Inteli7處理器的1/15.其最新的Atom系列處理器采用了跟ARM處理器類似的溫度設(shè)計(jì)，為此intel必須使用最新的22納米制造工藝。一般而言，制造工藝的納米數(shù)越小，能量的使用效率越高。ARM處理器使用更低的制造工藝，擁有類似的溫控效果。比如，高通驍龍805處理器使用28納米制造工藝。

??????? 二、64位計(jì)算對(duì)于64位計(jì)算，ARM和intel也有一些顯著區(qū)別。intel并沒有開發(fā)64位版本的x86指令集。64位的指令集名為x86-64（有時(shí)簡稱位x64），實(shí)際上是AMD設(shè)計(jì)開發(fā)的。intel想做64位計(jì)算，他知道如果從自己的32位x86架構(gòu)進(jìn)化出64位架構(gòu)，新架構(gòu)效率會(huì)很低，于是它搞了一個(gè)新64位處理器項(xiàng)目名位IA64。由此制造除了itanium系列處理器。

??????? 而ARM在看到移動(dòng)設(shè)備對(duì)64位計(jì)算的需求后，于2011年發(fā)布了ARMv8 64位架構(gòu)，這是為了下一代ARM指令集架構(gòu)工作若干年后的結(jié)晶。為了基于原有的原則和指令集，開發(fā)出一個(gè)簡明的64位架構(gòu)，ARMv8使用了兩種執(zhí)行模式，AARCH32和AArch64.顧名思義，一個(gè)運(yùn)行32位代碼，一個(gè)運(yùn)行64位代碼。ARM設(shè)計(jì)的巧妙之處，是處理器在運(yùn)行中可以無縫在兩種模式間切換。這意味著64位指令的解碼器是全新設(shè)計(jì)的，不用兼顧32位指令，而處理器依然可以向后兼容。

??????? 三、異構(gòu)計(jì)算ARM的big.LITTLE架構(gòu)是一項(xiàng)intel一時(shí)無法復(fù)制的創(chuàng)新。在big.LITTLE架構(gòu)里，處理器可以是不通類型的。傳統(tǒng)的雙核或四核處理器中包含同樣的2個(gè)核或者4個(gè)核。一個(gè)雙核Atom處理器中有兩個(gè)一模一樣的和，提供一樣的性能，擁有相同的功耗。ARM通過big.LITTLE向移動(dòng)設(shè)備推出了異構(gòu)計(jì)算。這意味著處理器中的核可以有不同性能和功耗。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，使用低耗核，而當(dāng)你運(yùn)行一款復(fù)雜的游戲時(shí)，使用的是高性能的核。

??????? 這是怎么做到的呢？設(shè)計(jì)處理器的時(shí)候要考慮大量的技術(shù)設(shè)計(jì)的采用與否，這些技術(shù)設(shè)計(jì)決定了處理器的性能以及功耗。在一條指令被解碼并準(zhǔn)備執(zhí)行時(shí)，intel和ARM的處理器都使用流水線，就是說解碼的過程是并行的。

??????? 為了更快地執(zhí)行指令，這些流水線可以被設(shè)計(jì)成允許指令不按照程序的順序被執(zhí)行（亂序執(zhí)行）。一些巧妙的邏輯結(jié)構(gòu)可以判斷下一條指令是否依賴與當(dāng)前的指令執(zhí)行的結(jié)果。intel和ARM都提供亂序執(zhí)行邏輯結(jié)構(gòu)，可想而知，這種結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜，復(fù)雜意味著更多的功耗。

??????? intel處理器由設(shè)計(jì)者們選擇是否加入亂序邏輯結(jié)構(gòu)。異構(gòu)計(jì)算則沒有這方面的問題。ARM Cotren-A53采用順序執(zhí)行，因此功耗低一些。而ARM Cotren-A57使用亂序執(zhí)行，所以更快但更耗電。采用big.LITTLE架構(gòu)的處理器可以同時(shí)擁有Cotrex-A53和Cortex-A57核，根據(jù)具體的需要決定如何使用這些核。在后臺(tái)同步郵件的時(shí)候，不需要高速的亂序來執(zhí)行，僅在玩復(fù)雜游戲的時(shí)候需要。在合適的時(shí)間使用合適的核。

??????? 此外，ARM具有其與x86架構(gòu)電腦不可對(duì)比的優(yōu)勢，該優(yōu)勢就是：功耗。其實(shí)他們的功耗主要是由這幾點(diǎn)決定的。首先，功耗和工藝制程相關(guān)。ARM的處理器不管是哪家主要是靠臺(tái)積電等專業(yè)制造商生產(chǎn)的，而intel是由自己的工廠制造的。一般來說后者比前者的工藝領(lǐng)先一代，也就是2-3年。如果同樣的設(shè)計(jì)，造出來的處理器應(yīng)該是intel的更緊湊，比如一個(gè)是22納米，一個(gè)是28納米，同樣功能肯定是22納米的耗電更少。

??????? 那為什么反而ARM的比X86耗電少的多呢。這就和另外一個(gè)因素相關(guān)了，那就是設(shè)計(jì)。

? ? ? ? 設(shè)計(jì)又分為前端和后端設(shè)計(jì)，前端設(shè)計(jì)體現(xiàn)了處理器的架構(gòu)，精簡指令集和復(fù)雜指令集的區(qū)別是通過前端設(shè)計(jì)體現(xiàn)的。后端設(shè)計(jì)處理電壓，時(shí)鐘等問題，是耗電的直接因素。先說后端怎么影響耗電的。我們都學(xué)過，晶體管耗電主要兩個(gè)原因，一個(gè)是動(dòng)態(tài)功耗，一個(gè)是漏電功耗。動(dòng)態(tài)功耗是指晶體管子啊輸入電壓切換的時(shí)候產(chǎn)生的耗電，而所有的邏輯功能的0/1切換，歸根結(jié)底都是時(shí)鐘信號(hào)的切換。如果時(shí)鐘信號(hào)保持不變，那么這部分的功耗就為0.這就刪所謂的門控時(shí)鐘。而漏電功耗可以通過關(guān)掉某個(gè)模塊的電源來控制。當(dāng)然，其中任何一項(xiàng)都會(huì)使得時(shí)鐘和電源所控制的模塊無法工作。他們的區(qū)別在于，門控時(shí)鐘的回復(fù)時(shí)間較短，而電源控制的時(shí)間較長。

??????? 此外，如果單條指令使用多個(gè)模塊的功能，在恢復(fù)功能的時(shí)候，并不是最慢的那個(gè)模塊的時(shí)間，而可能是幾個(gè)模塊的時(shí)間相加，因?yàn)檫@牽涉到一個(gè)電次序的問題，也就是恢復(fù)工作時(shí)候模塊間是有先后次序的，不遵照這個(gè)次序，就無法恢復(fù)。而遵照這個(gè)次序，就會(huì)使得總恢復(fù)時(shí)間很長。所以在后端這塊，可以得到一個(gè)結(jié)論，為了省電，可以關(guān)閉一些暫時(shí)不會(huì)用到的處理器模塊。但是也不能輕易的關(guān)閉，否則一旦需要，恢復(fù)的話會(huì)讓完成某個(gè)指令的時(shí)間會(huì)很長，總體性能顯然降低。此外，子模塊的門控時(shí)鐘和電源開關(guān)通常是設(shè)計(jì)電路時(shí)就決定的，對(duì)于操作系統(tǒng)是透明的，無法通過軟件來優(yōu)化。

??????? 再來看前端。ARM的處理器有個(gè)特點(diǎn)，就是亂序執(zhí)行的能力不如X86。換句話說，就是用戶在使用電腦的時(shí)候，他的操作是隨機(jī)的，無法預(yù)測的，造成的指令也無法預(yù)測。X86為了增強(qiáng)這種情況下的處理能力，加強(qiáng)了亂序指令的執(zhí)行。此外，X86還增強(qiáng)可單核的多線程能力。這樣做的缺點(diǎn)就是，無法很有效的關(guān)閉和恢復(fù)處理器子模塊，因?yàn)橐坏╆P(guān)閉，恢復(fù)起來就很慢，從而造成低性能。為了保持高性能，就不得不讓大部分的模塊都保持開啟，并且時(shí)鐘也保持切換。這樣做的直接后果就是耗電高。而ARM的指令在確定次序的執(zhí)行，并且依靠多核而不是單核多線程來執(zhí)行。這樣容易保持子模塊和時(shí)鐘信號(hào)的關(guān)閉，顯然就更省電。

? ? ? ? 此外，在操作系統(tǒng)這個(gè)級(jí)別，個(gè)人電腦上通常會(huì)開很多線程，而移動(dòng)平臺(tái)通常會(huì)做優(yōu)化，只保持必要的線程。這樣使得耗電差距進(jìn)一步加大。當(dāng)然，如果X86用在移動(dòng)憑條，肯定也會(huì)因?yàn)榫€程少而省電。凌動(dòng)系列（ATOM）專門為這些特性做了優(yōu)化，在一定程度上降低亂序執(zhí)行和多線程的處理能力，從而達(dá)到省電。現(xiàn)在移動(dòng)處理器都是片上系統(tǒng)（SoC）架構(gòu)，也就是說，處理器之外，圖形，視頻，音頻，網(wǎng)絡(luò)等功能都在一個(gè)芯片里。這些模塊的打開與關(guān)閉就容易預(yù)測的多，并且可以通過軟件來控制。這樣，整體功耗就更加取決于軟件和制造工藝而不是處理器架構(gòu)。在這點(diǎn)上，X86的處理器占優(yōu)勢，因?yàn)镮ntel的工藝有很大優(yōu)勢，而軟件優(yōu)化只要去做肯定就可以做到。 ???????

　　ARM和X86現(xiàn)在發(fā)展如何？關(guān)于X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)這兩者誰將統(tǒng)一市場的爭執(zhí)一直都有，但是也有人說這兩者根本不具備可比性，X86無法做到ARM的功耗，而ARM也無法做到X86的性能。現(xiàn)在ARM架構(gòu)已經(jīng)具備了進(jìn)入服務(wù)器芯片的能力，眾多芯片研發(fā)企業(yè)紛紛采用ARM架構(gòu)研發(fā)服務(wù)器芯片無疑將促進(jìn)其繁榮， 2015年一款采用ARM架構(gòu)的Windows 10平板現(xiàn)身，這也是目前曝光的全球首款非X86架構(gòu)、運(yùn)行Windows系統(tǒng)的平板產(chǎn)品。

　　同時(shí)，經(jīng)過數(shù)年的努力，2016年AMD終于推出了首個(gè)基于ARM架構(gòu)的處理器——Opteron A1100。AMD希望能夠憑借這一處理器挑戰(zhàn)Intel在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場的霸主地位。這樣看來，Intel在服務(wù)器芯片市場將會(huì)逐漸失去霸主地位，而且，Intel已然錯(cuò)過了移動(dòng) CPU 市場，現(xiàn)在它正試圖跳進(jìn)千萬億的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具體表現(xiàn)如何，看時(shí)間的考驗(yàn)吧。

posted on 2018-07-29 10:33 時(shí)空觀察者9號(hào) 閱讀(...) 評(píng)論(...) 編輯 收藏

總結(jié)

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