文章目錄

• 腦圖
• 視頻解讀
• CPU的組成
• 指令集架構(gòu)： 復(fù)雜指令集 （CISC） VS 精簡指令集 （RISC）
• X86架構(gòu)
• ARM架構(gòu)
• X86架構(gòu) VS ARM架構(gòu)
• • 制程工藝
  • 64位計算
  • 異構(gòu)計算
  • 功耗
• MIPS架構(gòu)
• PowerPC架構(gòu)

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腦圖

常見的四大CPU體系結(jié)構(gòu)ARM、X86/Atom、MIPS、PowerPC，這里我們來看下主流的X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)。

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視頻解讀

CPU的x86和ARM架構(gòu)有啥區(qū)別？指令集又是啥？

它誕下AMD和Intel，孕育了硅谷，讓喬布斯頂禮膜拜–仙童半導(dǎo)體公司

X86架構(gòu)——Intel 全球最大的半導(dǎo)體公司，榮譽(yù)背后，英特爾究竟經(jīng)歷了怎樣的沉浮？

X86架構(gòu)——和英特爾直面對抗，為什么說AMD是芯片企業(yè)中最可怕的那個

芯片行業(yè)的巨頭ARM（英國公司，2016年已被日本軟銀收購），即使是高通這樣的公司，都時刻受其制約

概括來說：

CPU兩個主要的發(fā)展方向根據(jù)指令集架構(gòu)來劃分： 復(fù)雜指令集VS精簡指令集

而復(fù)雜指令集和精簡指令集最為代表性的CPU架構(gòu) ： X86 和 ARM

使用X86架構(gòu)生產(chǎn)CPU的巨頭公司： Intel 和 AMD （這兩家的創(chuàng)始人都是從仙童半導(dǎo)體公司出走創(chuàng)辦的） ，采用復(fù)雜指令集 （CISC）

使用ARM（Advanced RISC Machine）架構(gòu)生產(chǎn)CPU的巨頭公司： 英國ARM公司，采用精簡指令集 （RISC）,ARM公司依靠 知識產(chǎn)權(quán)（IP） 和 指令集架構(gòu)授權(quán)盈利。ARM 公司本身并不靠自有的設(shè)計來制造或出售 CPU ，而是將處理器架構(gòu)授權(quán)給有興趣的廠家，比如手機(jī)行業(yè)的 高通、三星巨頭都需要依靠ARM架構(gòu)來生產(chǎn)手機(jī)芯片 。

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CPU的組成

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。

簡單的說

• 控制單元是整個CPU的指揮控制中心，由程序計數(shù)器PC（Program Counter）, 指令寄存器IR(Instruction
  Register)、指令譯碼器ID(Instruction Decoder)和操作控制器OC(Operation Controller)等組成
• 運(yùn)算單元：是運(yùn)算器的核心。可以執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。 運(yùn)算器接受控制單元的命令而進(jìn)行動作，即運(yùn)算單元所進(jìn)行的全部操作都是由控制單元發(fā)出的控制信號來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。
• 存儲單元：包括CPU片內(nèi)緩存和寄存器組，是CPU中暫時存放數(shù)據(jù)的地方，里面保存著那些等待處理的數(shù)據(jù)，或已經(jīng)處理過的數(shù)據(jù)，CPU訪問寄存器所用的時間要比訪問內(nèi)存的時間短。采用寄存器，可以減少CPU訪問內(nèi)存的次數(shù)，從而提高了CPU的工作速度。但因為受到芯片面積和集成度所限，寄存器組的容量不可能很大。

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指令集架構(gòu)： 復(fù)雜指令集 （CISC） VS 精簡指令集 （RISC）

目前已存的指令集架構(gòu)有4種:

• 復(fù)雜指令集運(yùn)算(Complex Instruction Set Computing，CISC);
• 精簡指令集運(yùn)算(Reduced Instruction Set Computing，RISC) ;
• 顯式并行指令集運(yùn)算(Explicitly Parallel Instruction Computing，EPIC);
• 超長指令字指令集運(yùn)算(VLIW)。

基于VLIW研發(fā)的CPU架構(gòu)主要用于早期的小型機(jī)，現(xiàn)在已基本消亡。而EPIC是Intel和HP從VLIW中發(fā)展出來的，目前好像只有Intel的IA-64架構(gòu)下的純64位微處理器的Itanium/Itanium 2采用EPIC。因此目前比較流行的指令集只剩下:CISC和RISC。

要了解X86和ARM，首先需要先了解復(fù)雜指令集（CISC)和精簡指令集（RISC），這兩個是處理器設(shè)計的兩個大的方向

舉個簡單的例子來理解CISC 和 RISC：機(jī)器人跳舞

復(fù)雜指令集，下發(fā)一條跳舞指令，機(jī)器人就可以完成跳舞
精簡指令集，需要下發(fā) 上下左右前前后后等多條指令，機(jī)器人才能完成跳舞。

基于指令集的CPU架構(gòu) （除了X86是CISC，剩下的基本都是RISC）：

• CISC:Intel和AMD的X86架構(gòu)都是基于CISC，包括X86和X86-64。
• RISC: 包括ARM架構(gòu)、MIPS架構(gòu)、IBM 的PowerPC架構(gòu)、SUN 的 Ultra SPARC架構(gòu)。

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X86架構(gòu)

X86架構(gòu)是微處理器執(zhí)行的計算機(jī)語言指令集，基于Intel 8086且向后兼容的中央處理器指令集架構(gòu)，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，由于以“86”作為結(jié)尾，因此其架構(gòu)被稱為“x86”

應(yīng)用領(lǐng)域：個人計算機(jī)、服務(wù)器等

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ARM架構(gòu)

ARM架構(gòu)是一個精簡指令集(RISC)處理器架構(gòu)，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。由于節(jié)能的特點(diǎn)，ARM處理器非常適用于移動通訊領(lǐng)域，符合其主要設(shè)計目標(biāo)為低耗電的特性。

應(yīng)用領(lǐng)域：手機(jī)、PAD、導(dǎo)航系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等都是ARM架構(gòu)，目前世界上使用最廣泛的CPU就是ARM

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X86架構(gòu) VS ARM架構(gòu)

制程工藝

ARM架構(gòu)主要用途決定其追求處理器功耗低，而X86架構(gòu)則是處理能力強(qiáng)大。現(xiàn)在主流的ARM芯片已使用10nm制程工藝了，而I7CPU卻依然采用的14nm制程工藝

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64位計算

對于64位計算，X86架構(gòu)的兩巨頭ARM和Intel也有一些顯著區(qū)別。Intel最初并沒有開發(fā)64位版本的x86指令集。64位的指令集名為x86-64(有時簡稱為x64)，實(shí)際上是AMD設(shè)計開發(fā)的。Intel做的64位計算，是搞了一個新64位處理器項目名為IA64。由此制造出了Itanium系列處理器。而AMD知道自己造不出能與IA64兼容的處理器，于是它把x86擴(kuò)展一下，加入了64位尋址和64位寄存器。最終出來的架構(gòu)，就是 AMD64，成為了64位版本的x86處理器的標(biāo)準(zhǔn)。

而ARM在看到移動設(shè)備對64位計算的需求后，于2011年發(fā)布了ARMv8 64位架構(gòu)。ARMv8使用了兩種執(zhí)行模式，AArch32和AArch64。顧名思義，一個運(yùn)行32位代碼，一個運(yùn)行64位代碼。ARM設(shè)計的巧妙之處，是處理器在運(yùn)行中可以無縫地在兩種模式間切換

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異構(gòu)計算

ARM的big.LITTLE架構(gòu)是一項Intel一時無法復(fù)制的創(chuàng)新。

在big.LITTLE架構(gòu)里，處理器可以是不同類型的。

傳統(tǒng)的雙核或者四核處理器中包含同樣的2個核或者4個核，每個核提供一樣的性能，擁有相同的功耗。而ARM通過big.LITTLE向移動設(shè)備推出了異構(gòu)計算。這意味著處理器中的核可以有不同的性能和功耗。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時，使用低功耗核，而當(dāng)你需要高計算能力時，使用的是高性能的核。

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功耗

首先，功耗和工藝制程相關(guān).

現(xiàn)在主流的制程工藝在10nm-14nm，而主流ARM架構(gòu)CPU和X86架構(gòu)CPU的制程工藝相差不大。

其次和設(shè)計相關(guān)。

X86為了增強(qiáng)對亂序操作的處理能力，加強(qiáng)了亂序指令的執(zhí)行。此外，X86還增強(qiáng)了單核的多線程能力。，性能高，功耗高。 ARM的指令強(qiáng)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鐘信號的關(guān)閉，顯然就更省電。

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MIPS架構(gòu)

上世紀(jì)80年代由美國斯坦福大學(xué)Hennessy教授的研究小組研發(fā)，它采用精簡指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)(RISC)來設(shè)計芯片。

和Intel采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)(CISC)相比，RISC具有設(shè)計更簡單、設(shè)計周期更短等優(yōu)點(diǎn)，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)更快的下一代處理器。

MIPS是出現(xiàn)最早的商業(yè)RISC架構(gòu)芯片之一，新的架構(gòu)集成了所有原來MIPS指令集，并增加了許多更強(qiáng)大的功能。MIPS自己只進(jìn)行CPU的設(shè)計，之后把設(shè)計方案授權(quán)給客戶，使得客戶能夠制造出高性能的CPU。

應(yīng)用領(lǐng)域：工作站等計算機(jī)平臺，目前國內(nèi)龍芯主要使用MIPS架構(gòu)機(jī)器

• 龍芯基于 MIPS架構(gòu)，自研。
• 兆芯（上海兆芯集成電路有限公司生產(chǎn)）基于X86架構(gòu)的兆芯x86通用處理器 。

02年，中科院計算機(jī)研究所制造了龍芯處理器，但未經(jīng)授權(quán)，一直被MIPS公司狀告侵權(quán)。07年，中科院計算機(jī)研究所的龍芯處理器獲得了MIPS的全部專利、指令集授權(quán)，中國開始走上了一MIPS為基礎(chǔ)的CPU研發(fā)道路。

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PowerPC架構(gòu)

PowerPC是IBM聯(lián)合蘋果、摩托羅拉公司研發(fā)的一種基于RISC精簡指令集的CPU。

PowerPC架構(gòu)最大優(yōu)點(diǎn)是靈活性非常好，核心數(shù)目靈活可變，因此在嵌入式設(shè)備上具有很高效益，可以針對服務(wù)器市場做超多核，針對掌機(jī)做雙核，因此它具有優(yōu)異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CPU_X86架构和ARM架构入门篇的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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