arm架构有哪些优势_应用架构图

浅谈CPU架构，CISC和RISC ， x86和ARM 　　编者按：鉴于笔者水平有限，文中难免有不当之处，还请各位读者海涵。 　　是为序 　　我猜，常年混迹知乎的同学应该不会没听说过CPU吧？ 　　但你真的了解CPU吗？那笔者问你CPU有哪些架构呢？ 　　如果你对你的答案不是很确定，那刚好，不妨跟随笔者来大致了解一下吧~ 　　下面开始正文。 　　CISC/RISC 　　照例，先抛出几个问题，带着问题来阅读本文，效果会更好。目前市面上有哪些CPU厂商呢？他们所采用的CPU架构又是哪些呢？不同的CPU架构下面又有哪些CPU品牌呢？ 　　话不多说，让咱们来一一解密。 　　先说说CPU厂商，在PC和服务器领域，Intel和AMD是耳熟能详的，在移动消费领域有基于ARM架构进行设计的TI、ST、NXP等等，它们都是头部的CPU厂商。当然，还有国产的CPU厂商，后面会介绍到。 　　再来说说CPU架构，那什么是CPU架构？ CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品设定的一个规范，其目的是为了区分不同类型的CPU。 　　我们知道，CPU是为了执行计算机指令而诞生的，根据计算机指令集的不同呢，市面上的CPU可以分为两大阵营：CISC和RISC。 CISC: Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机 　　CISC指令集的设计理念是：尽可能减小指令的数量，让每一条指令实现更复杂的功能，从而降低CPU向内存取指令的频率，进而减小程序的执行时间，提升计算性能。为了让某一条指令能实现更复杂的功能，CISC的指令设计采用变指令长度。而这必然对CPU硬件电路设计提出了非常高的要求，往往需要非常复杂的控制、解码、执行电路。 　　基于任何事情都可以用二八定律来描述，计算机指令集也不例外。据实际统计，CISC中只有20%的指令才会被经常使用，而剩下的80%则较少使用。也就是说，为了实现那极少使用的80%的指令，代价是复杂的硬件控制电路和编译器设计，这值得吗？ 　　基于此，一种新的CPU设计理念——RISC便诞生了。 RISC: Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机 　　RISC指令集的设计理念是：只保留必要的指令，采用固定长度指令设计，将复杂的功能实现上交给软件去实现。其好处便是指令集、硬件电路、编译器设计简单了。缺点是实现同样的功能，需要更多的指令，代码密度更低。 　　CISC和RISC孰优孰劣的争论持续了许多年，它们两个虽然谁都不服谁，各自占据着自己的领域。比如，以CISC x86架构为主的Intel/AMD统治着PC和服务器领域，而以RISC架构为主的ARM则统治着移动消费领域。尽管它们互相看不顺眼，但是随着科技的发展，CISC和RISC也在相互借鉴对方的优势，它们之间的界限也越来越模糊。 　　好，关于CISC和RISC，咱们就先讲到这里，感兴趣的同学，也可以去了解了解它们的爱恨历史，也颇为有趣（参考文章后面的英文参考链接）。 　　CPU架构 　　前面我们知道了CPU的指令集可以分为：CISC和RISC。这是指令集层面上的划分。CPU除了指令集，还包括各种组件，如ALU，EU、寄存器、Cache等等。它们的组织方式也会影响CPU的架构，即同一个指令集下面，CPU厂商又可以生产不同架构的CPU。具体来讲，目前市面上基于CISC指令集的CPU主要是x86架构，比如 Intel的x86，x86-64和AMD的amd64。而RISC下面则有ARM，MIPS，PowerPC，RISC-V等多种CPU架构。 　　下图简单列举了国内外的一些CPU架构。

CPU架构概览 　　接下来，笔者参考网上资料，简单总结了一下各主流CPU架构的一些特点。先声明，这些特点只是大概的，了解即可，可能不足，也可能不正确，也可能过时了。当然，如果读者乐意，也欢迎留言指出。 　　好，那么咱们开始。 　　x86 　　x86 架构采用CISC指令集，由Intel公司于1978年推出，也就是8086/8088系列，故后面将该系列称为x86系列。它最初设计用于个人电脑，但后来也被用于服务器、工作站和其它设备。x86 架构的特点包括：兼容性：x86 架构具有很强的兼容性，这意味着可以在不同的 x86 处理器上运行相同的软件。这使得 x86 架构成为一种非常流行的架构，因为用户可以轻松地升级他们的处理器而无需更换软件。性能：x86 架构的性能非常高，这使得它非常适合于运行复杂的应用程序，比如视频剪辑、渲染、高性能计算、AI算力等领域功耗：x86 架构的功耗相对较高，这使得它不适合于使用电池供电的设备。复杂性：x86 架构非常复杂，这使得它很难设计和制造 x86 处理器。生态：由于x86架构的兼容性，其软硬件生态杠杠滴！ 　　关于x86的劣势，一位知友的文章中有提到，我觉得蛮有趣： 成也萧何，败也萧何。x86主打兼容性，导致兼容性的包袱越来越重，走的举步维艰。 　　站在哲学的立场来说，优点也是一种缺点，而破局的关键则在于改变。面对x86沉重的兼容性包袱和ARM的步步紧逼，AMD和Intel都在寻找新出路，未来如何，我们且看。

Intel CPU，图源网络 　　ARM 　　ARM (Advanced RISC Machine) 架构是一种精简指令集计算机（RISC）架构，由英国 ARM 公司于 1985 年推出。它最初设计用于嵌入式系统，但后来也被用于智能手机、平板电脑和其他设备。ARM 架构的特点包括：低功耗：ARM 架构的功耗非常低，这使得它非常适合于使用电池供电的设备。高性能：ARM 架构的性能非常高，这使得它非常适合于运行复杂的应用程序。小巧：ARM 架构非常小巧，这使得它非常适合于嵌入式系统。低成本：ARM 架构的成本非常低，这使得它非常适合于大规模生产。 　　ARM 架构的缺点包括：兼容性：ARM 架构的兼容性不如 x86 架构好，这意味着有些软件无法在 ARM 架构上运行。安全性：ARM 架构存在一些安全漏洞，这使得它容易受到攻击。 　　目前，由于ARM芯片价格低廉，功耗低，性能好，在移动消费等嵌入式领域拥有超过75%以上的市场份额，拥有绝对的话语权，采用ARM内核进行CPU设计的公司也有很多，比如ST (STM32系列)、TI（MSP430系列，DSP系列）、NXP等等。

基于ARM Cortex的STM32芯片，图源网络 　　MIPS 　　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 interlocked piped stages），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。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。 　　它的基本特点是：包含大量的寄存器、指令数和字符可视的管道延时时隙 　　采用MIPS架构的公司及CPU芯片：Imagination Technologies MIPS Warrior：MIPS Warrior是一款32位MIPS架构的CPU芯片，主频高达1GHz，采用40纳米工艺制造。MIPS Technologies MIPS32 24K：MIPS32 24K是一款32位MIPS架构的CPU芯片，主频高达1.2GHz，采用28纳米工艺制造。联发科技MT6572：MT6572是一款32位MIPS架构的CPU芯片，主频高达1.2GHz，采用28纳米工艺制造。瑞芯微电子RK3288：RK3288是一款32位MIPS架构的CPU芯片，主频高达1.8GHz，采用28纳米工艺制造。全志科技A31：A31是一款32位MIPS架构的CPU芯片，主频高达1.2GHz，采用28纳米工艺制造。 　　关于龙芯，网上有资料说是自主研发的LoongArch架构。，也有说基于MIPS，笔者也没搞清楚，暂且按下不表。欢迎读者留言指出，谢谢~ 　　RISC-V 　　RISC-V 架构是一种精简指令集计算机（RISC）架构，由加州大学伯克利分校于 2010 年推出。它最初设计用于嵌入式系统，但后来也被用于服务器、工作站和其他设备。RISC-V 架构的特点包括：开源：RISC-V 架构是开源的，这意味着任何人都可以免费使用和修改它。模块化：RISC-V 架构是模块化的，这意味着可以根据需要添加或删除指令。可扩展：RISC-V 架构是可扩展的，这意味着可以将其扩展到不同的处理器内核。低功耗：RISC-V 架构的功耗非常低，这使得它非常适合于使用电池供电的设备。高性能：RISC-V 架构的性能非常高，这使得它非常适合于运行复杂的应用程序。 　　采用RISC-V架构的公司及CPU芯片：阿里巴巴玄铁910：玄铁910是一款32位RISC-V处理器，主频高达1GHz，采用40纳米工艺制造，主要用于物联网设备。华为HiSilicon Hi3559A：HiSilicon Hi3559A是一款32位RISC-V处理器，主频高达1.5GHz，采用28纳米工艺制造，主要用于智能家居和安防监控设备。中兴通讯ZTE ZC310：ZTE ZC310是一款32位RISC-V处理器，主频高达1.2GHz，采用40纳米工艺制造，主要用于工业控制和汽车电子设备。兆易创新GD32V：GD32V是一款32位RISC-V处理器，主频高达200MHz，采用40纳米工艺制造，主要用于物联网设备和可穿戴设备。乐鑫科技ESP32-C3：ESP32-C3是一款32位RISC-V处理器，主频高达160MHz，采用40纳米工艺制造，主要用于物联网设备和智能家居设备。 　　RISC-V由于其开源特性，很多公司都采用它进行开发，但大多都是一些小设备小应用，比如物联网之类的。有知友把它比作“永远的小童星”，虽然很火，但终究长不大，好像有一定道理。 　　PowerPC 　　PowerPC 架构是一种精简指令集计算机（RISC）架构，由苹果公司、IBM 公司和摩托罗拉公司于 1991 年联合推出。它最初设计用于工作站，但后来也被用于服务器、嵌入式系统和其他设备。PowerPC 架构的特点包括： 　　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IBMPowerPC 601 微处理器POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC）架构。二十世纪九十年代，IBM、苹果和摩托罗拉合作开发 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，有着广泛的应用范围，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。除了像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。 　　PowerPC, emmm，好像在路由器，网关上面用得比较多。 　　国产CPU 　　关于国产CPU，笔者了解的不多，大概有六种品牌，貌似龙芯最强，贴一张图，让读者有个大概的印象。

来源下参考文献 　　具体细节可以参考这篇文章：国产CPU之4种架构和6大品牌 – 知乎 (zhihu.com) 　　结语 　　终于看完了，真是收获满满啊，不过你不会真的以为，本文的内容就到此结束了吧？ 　　我只能说，Too young too simple. 　　不信你再看看这篇文章，一个外国老哥写的：都2021年了，还把x86和ARM归为CISC和RISC？ – 知乎 (zhihu.com) 　　附上英文原文相关链接：The final ISA showdown: Is ARM, x86, or MIPS intrinsically more power efficient? | ExtremetechRISC vs. CISC Is the Wrong Lens for Comparing Modern x86, ARM CPUs | Extremetech 　　反正笔者看完后，就一个反应：合着我写的都完全过时了，白写了是吧！ 　　但是细细想来，也不全是，毕竟自己还是对RISC、CISC以及各种CPU芯片的历史、架构和应用有了一个大致、朦胧的了解，不至于一无所知，完全抓瞎。如果读者也和我一样，那么本文的目的便达到了。 　　笔者后续也会尽量对本文内容进行更新。 　　最后，如果读者觉得本文对你有所帮助，还请帮忙点个赞，你的鼓励是笔者不懈创作的动力，谢谢~ 　　如果没有，那笔者也只能摊摊双手，表示浪费你宝贵的时间咯，然后溜之大吉~ 　　【完】