ARMVSX86处理器构架一文读懂

OverLord

處理器是什么

处理器，其实全称应该是中央处理单元——Central Processing Unit（简称CPU），它是电脑最为核心的部件，功能主要是解释并翻译电脑的指令指令，处理软件运行时产生的数据（图2）。在1970年以前，处理器其实是由多个独立单元构成的，比如整数运算单元、浮点运算单元、寄存器。后来随着大规模集成电路制造技术的发展，处理器各单元部件可以合并起来，这种高度收缩后的产物就是微处理器，这也就解释了为什么电脑早期被称作“微型计算机”。

处理器最核心的三个部分是运算器、控制器、寄存器三部分，GPU图形处理器并不算在内。一如其名，运算单元负责计算，控制器则负责发出处理器每条指令所需要的信息，寄存器相当于一个临时中转站，负责将运算的结果或者发出的指令暂存再传递给下一个工序（如内存、硬盘），这样可以保证更高的运算速度。

那么，处理器在计算的时候，又是如何工作的呢？这就要从处理器的构架谈起了。

什么是处理器构架？

（微型）处理器的开端并不是像今天这样X86、ARM为主，实际上是百花齐放，还有MIPS和IA64等等很多架构、指令集，它们之间的差异非常之大。当然我们今天说的X86，实际上也已经是X86的衍生构架X86-64，即64bit extended（64位元扩展架构）。

我们将这些构架往后放放，先从最基本的逻辑角度分类。它们统归两大类，分别为“复杂指令集”和“精简指令集”，也就是“CISC”与“RISC”（图3）。如果现在就做个总结，X86属于复杂指令集产物，ARM则属于精简指令集产物。

复杂指令集，即Complex Instruction SetComputers，究竟什么是“复杂指令集”呢？我们直白一点来解读：以最简单的乘法计算指令为例，当计算时，复杂指令集会调用内存A和内存B中的两个数据相乘，然后将结果存储至内存A中（图4），当然，这需要多个处理器的时钟周期才可以完成，也就是我们所说的IPC（每周期指令，instructions per cycle）。

精简指令集，即Reduced Instruction SetComputers，和复杂指令集的差异在于，同样的乘法指令，精简指令集在执行计算的时候，需调用四个处理器周期指令完成乘法的计算，即分别将内存A数据加载到寄存器，内存B数据加载到寄存器之中，然后调用两个寄存器中的数据进行乘法计算，寄存结果最终存入内存A。另外RISC架构的设备通常也比较简洁，这也是可以用来识别的一个特色（图5）。

这两种方式最大的差异是，复杂指令集对单多数指令使用率低却增加了处理器的复杂度，指令是可变长格式，而精简指令集多为单周期指令，指令长度是固定的，操作寄存器时至需要读取、存储的操作即可。一个微程序包含若干条微指令（也称微码），执行复杂指令时实际上相当于运行一个微小的程序。正因如此，同样一个计算指令，复杂指令集一旦开始就必须执行完毕才可以，而精简指令集可以随时“叫停”，打断计算过程（图6）。

其实，最初只有复杂指令集，但是随着时间推移，处理器的设计越发复杂，更多的运算指令被放入构架里，比如最初的X86处理器构架只有基本的整数运算指令和浮点运算指令，但是经过长期发展，各种扩展指令集应运而生：例如MMX、SSE、AVX等等，这些扩展指令集是为特定的应用而生。但是，越来越多的指令也让处理器的功耗节节攀升（图7）。

如果说功耗还是可以接受或者可以改善的事情，那么，“无效功能设计”就是一个更令人头疼的问题了——在复杂指令集的处理器中（尤其是现在X 86构架处理器），只有20%左右的指令会经常性调用，大部分指令集只不过是“待命状态”，很多硬件资源实际是被闲置的（图8）。

而精简指令集的特点就是针对复杂指令集设计的，指令集越少、越精为宜，尤其是常用的计算指令，更多的衍生指令则可以依靠这些基础指令组合来执行，这样的好处就是功耗有效降低，指令执行更为简化。不过随着时间的推移、尤其是现在以ARM为代表的精简指令集处理器功能越发强大，其指令设计也越发复杂（图9），二者的区别与界限也开始有了一定程度的重叠。

如果要用一句话来总结，复杂指令集的指令集非常丰富，重点在于“软件硬件化”，对于软件开发者非常友善，但硬件的设计过于复杂;而精简指令集正好相反，属于“硬件软化”，编译器等软件的设计要求较高，编译后的程序体积也比较大，但是处理器的开发难度大为降低，成本自然也要低廉许多（相对于复杂指令集的处理器产品）。

目前，复杂指令集的处理器代表，主要是X86（X86-64）构架，如英特尔和AMD主要处理器产品的构架、我国的兆芯，以及已经消失或走出主流的Cyrix、VIA、IDT等公司的全部或部分处理器架构;而精简指令集则更为庞杂，典型构架包括DEC Alpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、RISC-V、PowerArchitecture（PowerPC）和SPARC（部分未延续至当前）等等。

复杂还是精简？这些你知道吗？

1复杂指令集代表队

刚刚笔者提到，复杂指令集目前的代表主要集中在X86构架上，实际上，早先还有两个类别的复杂指令集构架，只不过他们在竞争的大潮下因为各种各样的原因停止了前进的步伐。比如DEC用于同名计算机的PDP-11处理器（图10），这个在16位处理器时代的天之骄子没有跟上时代的步伐（当时英特尔的X86构架也处于起步阶段）;再如著名的Motorola 68000（图11），它是一款16/32位处理器，明显比PDP-11（当然也吸取了很多PDP-11构架的优点）要先进不少，不过它的诞生要比英特尔的8086晚了两年。

X86是英特尔、AMD乃至VIA采用的复杂指令集构架，后期英特尔为了在64位上先人一步，推出了并不兼容X86的IA-64构架（由英特尔和HP共同開发设计），同样也是复杂指令集下的产物。只不过，步伐迈得太大了——IA-64并不兼容X86的32位，只能靠模拟器的方式执行32位程序，因此只在安腾（Itanium处理器）上使用（图12）。

现在通常讲的X86，其实准确的称呼应该是X86-64，它是基于X86架构的64位拓展，且兼容于16位及32位的X86架构。X64于1999年由AMD设计，AMD首次公开64位集以扩展给X86，称为“AMD64”，用于K8处理器（图13）。其后英特尔也开发了自己基于X86的64位的指令集——英特尔 64，只是在微软的压力下，基本上是完全兼容AMD64的。

甚至包括VIA也推出过X86-64构架，实际上它们都大同小异。现如今，我们只是习惯性的把各家的X86-64构架统一简称为X86了，而它们依然都是属于复杂指令集下的产物。

2精简指令集代表队

现在来看看精简指令集的家族，相比于复杂指令集，精简指令集下的各种构架着实让人眼花缭乱，它们各有各的特点，我们不妨一起来看看。

● DEC Alpha

DEC Alpha（图14），或者称之为Alpha AXP，这是一种基于精简指令集的64位处理器构架。最初是由大名鼎鼎的DEC公司制造，并且用于自家的工作站和服务器中。一般而言，很少有微软的操作系统支持X86之外的处理器构架，但是这款DEC Alpha可不一般——微软为DEC Alpha提供了支持，从Windows NT 4.0SP6开始直至Windows 2000 Beta3才放弃。

之所以放弃，是因为DEC Alpha命运多舛，1998年，康柏收购了DEC公司，命运按理应该交由康柏。然而同一年，康柏将DEC Alpha卖给了英特尔，而且康柏自身也在这个时期被惠普收购。由此，DEC Alpha想要继续发展显然不现实，虽然一直持续开发，但是支持越来越少，2004年DEC Alpha被彻底放弃，走入历史。

● SPARC

SPARC的全称为可扩展处理器架构（ScalableProcessor ARChitecture），它也是归属于精简指令集架构的产品，由SUN公司于1985年设计（图15）。SPARC为了能够扩展生态，开放了自己的构架标准，授权了很多企业一同开发，例如德州仪器、Cypress半导体、富士通等等。

SPARC的诞生，归根结底是为了SUN公司的工作站使用（包括服务器），与之配套的系统Solaris也是为SPARC而生。除此之外，包括NeXTSTEP、Linux、FreeBSD、OpenBSD及NetBSD系统也提供有SPARC的专用版本。

但是，因为应用领域过窄，SPARC构架在2017年9月1日被甲骨文公司（SUN被甲骨文收购）停止开发。

● MIPS

当前在精简指令集领域，ARM构架无疑是最成功的，但是还有一个构架也极具竞争力，它就是M I P S。1981年，斯坦福大学教授约翰·轩尼诗领导他的团队研发出第一个MIPS架构的处理器（图16）。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。

不得不说MIPS在当时非常先进，它的出现极大的影响了其他精简指令集构架，在2010年前后其发展提速明显，比如在传统的整数浮点应用指令基础上逐步增加了多线程、DSP模块、SIMD模块以及虚拟化模块。这也与移动互联网应用的迅速发展时间相吻合，随着应用需求变化，MIPS指令集以及架构也在迅速发展。只不过它的竞争力始终差ARM一点，MIPS多数的归属是工控领域、嵌入式領域。

时间来到2021年，MIPS的最终一曲上演，MIPS的构架将不再继续开发，主要力量投入到了RISC-V的开发中，一代英豪就此落幕。

● ARM

ARM的全称为高级精简指令集机器（Advanced RISCMachine，最早被称之为艾康精简指令集机器，Acorn RISCMachine），早期的ARM构架处理器广泛应用于嵌入式系统设计（图17），而且由于它具备良好的节能特性，也在其他领域大有作为——比如我们现在的移动通讯领域，已经完全是ARM构架的天下了。毕竟，它兼具低成本、高性能、低耗电的特性，这是其他构架无法提供的。

从2005年开始，全世界98%的智能手机和平板电脑（图18）、90%以上的硬盘驱动器，40%以上的数字电视机顶盒，15%的微控制器以及20%的移动电脑，都是基于ARM架构的产物。

大家都知道苹果2020年推出M1芯片并应用到电脑设备上，而且性能极为强大。殊不知这不是苹果第一次尝试ARM架构的产品应用于电脑产品上。在1980年代晚期，苹果电脑就和艾康电脑（ARM构架的拥有者）合作开发新版的ARM核心。甚至由于这个项目的重要性，艾康电脑在1990年将其设计团队单独成立了一个名为安谋国际科技（Advanced RISC MachinesLtd.）的新公司。这也解释了为什么ARM会被解读成AdvancedRISC Machine的根本原因。

不止如此，复杂指令集的代表者，X86构架的最重要成员英特尔，早年也拥有基于ARM架构的处理器产品：XScale处理器（图19）。它是英特尔公司始于ARM v5TE处理器发展的产品，前身为StrongARM，性能功耗比十分优秀，诸多PDA（掌上电脑）和基于Windows Mobile的手机都是采用XScale处理器的。

只不过，英特尔最终犯了战略性错误，固执的认为复杂指令集的X86构架经过改良设计一样可以用于移动端，同时为了减轻开发负担（主要是成本），最终将其出售给了Marvell公司，至此英特尔也错过了后来智能移动设备大爆发的机会。

3第五代精简指令集

复杂指令集和精简指令集本质上是有专利壁垒的，想要开发一个处理器构架，有些专利是不可能绕开的。这就催生了另一个构架：RISC-V（图20），一个基于精简指令集的开源指令集架构（ISA），也就与开源软件相对应的一种“开源硬件”。与其他指令集相比，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、软件，而不必支付给任何公司专利费。注意，RSIC-V基金会中的V并非是英文字母“V”，而是罗马字母“5”，意为第五代精简指令集。

⒇

（21）

目前，RISC-V的前景最被看好，而且已经开始逐渐实用化，包括嵌入式系统，移动设备等，都有RISC-V指令集的身影。而且令人振奋的是，RISC-V的最高级会员中有多达10家是中国厂商，包括阿里巴巴（平头哥）、晶芯科技、成为资本、华为、ICT（中科院计算所）、ISVCAS（中科院软件所）、ZTE（中兴通讯）、赛昉科技、UNISOC（紫光展锐）、希姆计算，阵容十分强大。

ARM、X86 殊途同归？

不得不说，移动时代，精简指令集的代表ARM构架处理器和复杂指令集的代表X86构架处理器越发趋同，它们在互相借鉴之中不断进步，这二者的界限已经开始变得模糊起来了。

1制程工艺

ARM构架处理器的制程工艺要领先X86构架处理器至少一代以上，根本原因在于ARM构架处理器大多的应用设备体积有限，芯片必须采用更为先进的制程工艺才能满足功耗、性能的平衡。目前，ARM构架处理器普遍使用5nm至7nm制程工艺制造，这样才可以装进手机、平板电脑这一类空间极为有限的设备中;而X86构架处理器一般都应用在笔记本电脑、台式机电脑上，功耗和散热的要求相比要“低”不少，一般而言7nm至10nm，甚至1xnm的制程工艺就可以应对了。

2异构计算

ARM架构处理器的异构计算曾经是一大杀手锏，性能核与功效核这样的big.LITTLE架构（图21）设计很好的兼顾了耗电、性能之间的平衡。比如当手机常规运行时，只需要低功耗的小核心运行即可保证，当你运行一款复杂的游戏时，性能核心将全力工作。

但是，异构计算大小核的设计现在已经不是ARM构架处理器的独有技术了，包括英特尔在内的X86处理器厂商也开始使用了这种异构设计思路，例如最新的12代酷睿处理器，也同样分为性能核与功耗核，用以应对不同使用场景。可见，随着技术的发展，二者的界限正在变得模糊。

3性能和耗电

随着搭载M1芯片的苹果笔记本电脑上市，仿佛ARM构架处理器的绝对性能已经和X86构架处理器平起平坐了，实际上并非如此。M1处理器的独特之处在于片上缓存，这个独特的设计极大的提升了数据的传输速度，另一方面，苹果有针对性的对特定应用方向进行了深度优化设计。用一个不太恰当的直白解释是，M1处理器的定向优化能力非常优秀，这也让搭载了M1处理器的苹果笔记本电脑在部分应用上表现甚至可以与X86构架的旗舰处理器一较高低（图22），当然，这也和macOS与Windows操作系统对硬件资源调用的逻辑差异有关系。但是在没有被“定向优化”到地方，表现自然不可能与X86构架处理器相提并论。

然而，在更为复杂的应用上，X86构架处理器的优势短时间内是无可取代的。最关键的一点在于ARM架构处理器的乱序执行能力远不及X86架构处理器。比如电脑在操作的时候多是随机且不可预测的，X86构架处理器在这方面就加强了乱序指令执行的能力，而且，X86构架还有一个特点就是单核心双线程的设计，让其在处理乱序指令的时候效率更高。但是，这样的缺点也显而易见，那就是随时都要准备着应对乱序指令的执行，因此它的耗电量也比较大（图23）。

而ARM構架处理器在执行确定次序的执行指令，例如前后帧关联明显的视频处理时效率很高，而且可以更好地进行多核心协同处理而不是依靠单一线程来执行，可以快速将不需要的处理线程转入“待机”模式，耗电自然就更少。比如说手机使用的ARM处理器芯片和用于电脑的M1芯片，一般都是片上系统结构（SOC），也就是一块芯片上集成了多个功能模块（图24）。这些模块哪一个功做哪一个不工作？对于移动端设备来说很好判断，通过软件层就可以实现对它们单独控制，由此，时下不需要工作的模块大可以“关闭”让其待命，自然耗电就少了许多。

（24）

未来，是ARM还是X86的？

这是一个老生常谈的问题，短期来看，ARM构架处理器将在移动端继续保持优势地位，而在笔记本电脑和台式机电脑，乃至服务器端，X86构架处理器依旧是不可替代的存在;而从中期来看，ARM构架处理器和X86构架处理器在设计上会进一步趋同，相似的设计会越来越多，某种程度的融合不可避免;长期来看，ARM构架处理器的地位有可能被没有专利壁垒的RISC-V构架处理器替代，并且后者与X86构架处理器的差异进一步融合。但是，两种指令集下的产物，依旧会有一条清晰的界限。