處理器知識-RISC和CISC架構(gòu)分析對比

1、 處理器知識: RISC和CISC架構(gòu)分析對比 CISC(復雜指令集計算機)和RISC(精簡指令集計算機)是當前CPU的兩種架構(gòu)。它們的區(qū)別在于不同的CPU設計理念和方法。早期的CPU全部是CISC架構(gòu)，它的設計目的是CISC要用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務。RISC和CISC是設計制造微處理器的兩種典型技術(shù)，雖然它們都是試圖在體系結(jié)構(gòu)、操作運行、軟件硬件、編譯時間和運行時間等諸多因素中做出某種平衡，以求達到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大。x86架構(gòu)采用CISC，而ARM采用RISC。ARM成立于1991年，是一家出售IP（技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)）的公司，所謂的技術(shù)知識

2、產(chǎn)權(quán)，就有點像是賣房屋的結(jié)構(gòu)設計圖，至于要怎修改，哪邊開窗戶，以及要怎加蓋其它的花園，就看買了設計圖的廠商自己決定。而ARM的架構(gòu)是采用RISC架構(gòu)，如同它的名稱一樣，Advanced RISC Machines，RISC架構(gòu)在當初的PC架構(gòu)爭霸戰(zhàn)雖然敗給Intel所主導的x86處理器架構(gòu)，卻默默在另外的領域成長壯大；小從硬盤轉(zhuǎn)速控制、電信基地臺的計算、汽車噴射引擎的控制、音響系統(tǒng)、相機引擎，大到電動機具的控制等等，都能夠看見采用ARM授權(quán)架構(gòu)處理器的身影。而有了設計圖，當然還要有把設計圖實現(xiàn)的廠商，而這些就是ARM架構(gòu)的授權(quán)客戶群。包括： 高通、華為、聯(lián)發(fā)科、TI、Freescale等。X8

3、6是英特爾Intel首先開發(fā)制造的一種微處理器體系結(jié)構(gòu)的泛稱，包括Intel8086、80186、80286、80386以及80486以86結(jié)尾系列，英特爾統(tǒng)治整個CPU產(chǎn)業(yè)鏈長達數(shù)十年。但是，Intel以增加處理器本身復雜度作為代價，去換取更高的性能，但集成的指令集數(shù)量越來越多，給硬件帶來的負荷也就越來越大，無形中增加了功耗和設計難度。ARM（Advanced RISC Machines）公司是蘋果、Acorn、VLSI、Technology等公司的合資企業(yè)。ARM采用將芯片的設計方案授權(quán)（licensing）給其他公司生產(chǎn)的模式，在世界范圍結(jié)成了超過100個的合作伙伴（Partners），

4、將封閉設計的Intel公司變成全民公敵。ARM處理器非常適用于移動通信領域，具有低成本、高性能和低耗電的特性，ARM的高性價比和低耗能在移動市場比英特爾更具優(yōu)勢。ARM的架構(gòu)相較于x86有哪些特點？相較于基于CISC的x86架構(gòu)處理器，由于為了滿足電腦產(chǎn)業(yè)發(fā)展而不斷加入指令集，使得處理器日益龐大，但每個指令集用到的頻率也越差越大，許多指令到后來已經(jīng)相當少用，甚至是可以被新的指令所取代。而ARM架構(gòu)則大幅簡化架構(gòu)，僅保留所需要的指令，可以讓整個處理器更為簡化，擁有小體積、高效能的特性。另外，ARM的架構(gòu)老早就已經(jīng)作到高密度整合，由于ARM授權(quán)的彈性以及核心架構(gòu)單純，ARM處理器架構(gòu)可以很容易與其

5、它專職的特殊核心，像是GPU、多媒體譯碼核心、基頻調(diào)制解調(diào)器、I/O控制等架構(gòu)整合，透過SoC（System On a Chip，系統(tǒng)單芯片）的方式，一顆小小的ARM架構(gòu)應用處理器，完成近年x86架構(gòu)處理器積極跨足的單芯片設計，并且透過各種不同的核心分工各司其職，ARM架構(gòu)應用處理器的核心負擔相較傳統(tǒng)x86處理器低上許多，并且因為早前應用處理器的需求就是以低功耗為重點，即便如今效能不斷提升，仍是以保有省電的特性為前提發(fā)展。ARM架構(gòu)的另一個優(yōu)點，就是自由性，只要像ARM買下核心授權(quán)，就可以與其它IP公司的方案以及這家授權(quán)客戶本身的優(yōu)勢技術(shù)整合，雖同為同一世代的ARM核心架構(gòu)，即便頻率相同，結(jié)果

6、也不同。不過這也使得ARM應用處理器光從基本規(guī)格是不一定能看出操作效能的，例如同樣隸屬高通Snapdragon，頻率1GHz的第一世代旗艦QSD8x50甚至不敵頻率僅800MHz的第二世代MSM7230。ARM的架構(gòu)之所以在智能手機以及平板能夠迅速竄紅，蘋果iOS裝置可說是大功臣，在蘋果之前，智能手機在市場上一直載浮載沉，雖然有著號稱智能手機平臺市占率第一的Nokia Symbian，以及Windows Mobile、Palm OS、BlackBerry等系統(tǒng)，不過當時的環(huán)境在缺乏行動網(wǎng)絡為后盾，在線商店的概念也還未發(fā)展成型；一直到蘋果以iPhone打響新世代智能手機第一炮后，市場才真正體認到

7、智能手機原來可以是這么容易使用。iPhone的出現(xiàn)也間接帶起市場對于ARM架構(gòu)應用處理器的需求，不過光是蘋果也無法帶起市場對于ARM處理器的需求，如WM（WP7)手機與Symbian也紛紛加入新一代智能手機戰(zhàn)局，但是真正成為關(guān)鍵的，是Google Android宣布參戰(zhàn)后，其它手機廠商取得一個相較過去成熟的通用智能手機平臺，而各廠商又為了進行產(chǎn)品差異化，開始針對ARM架構(gòu)應用處理器的效能以及硬件支持要求，使得過去發(fā)展緩速的ARM架構(gòu)一下子熱絡起來，也讓ARM架構(gòu)一夕之間成為火熱話題。GOOGLE的Android系統(tǒng)和蘋果的IPAD、IPHONE推出后，ARM架構(gòu)的電腦系統(tǒng)（特別是在終端方面應用

8、）受到用戶的廣泛支持和追捧，ARM+Android成為IT、通信領域最熱門的話題，眾多芯片廠商紛紛推出具有各種獨特應用功能基于ARM結(jié)構(gòu)開發(fā)的產(chǎn)品，近期最新形成的“異構(gòu)概念”更成為電腦今后發(fā)展主要方向。在IT行業(yè)推崇了20多年的“性價比“概念受到根本的動搖和沖擊，“適用的才是最好的”已經(jīng)被越來越多的用戶接受。我們就ARM架構(gòu)的系統(tǒng)與X86架構(gòu)系統(tǒng)的特性進行一個系統(tǒng)分析，方便用戶在選擇系統(tǒng)時進行理性、合理的比價分析。一、性能：X86結(jié)構(gòu)的電腦無論如何都比ARM結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在性能方面要快得多、強得多。X86的CPU隨便就是1G以上、雙核、四核大行其道，通常使用45nm（甚至更高級）制程的工藝進行生產(chǎn)

9、；而ARM方面：CPU通常是幾百兆，最近才出現(xiàn)1G左右的CPU，制程通常使用不到65nm制程的工藝，可以說在性能和生產(chǎn)工藝方面ARM根本不是X86結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的對手。但ARM的優(yōu)勢不在于性能強大而在于效率，ARM采用RISC流水線指令集，在完成綜合性工作方面根本就處于劣勢，而在一些任務相對固定的應用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。二、擴展能力X86結(jié)構(gòu)的電腦采用“橋”的方式與擴展設備（如：硬盤、內(nèi)存等）進行連接，而且x86結(jié)構(gòu)的電腦出現(xiàn)了近30年，其配套擴展的設備種類多、價格也比較便宜，所以x86結(jié)構(gòu)的電腦能很容易進行性能擴展，如增加內(nèi)存、硬盤等。ARM結(jié)構(gòu)的電腦是通過專用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存

10、儲設備進行連接，所以ARM的存儲、內(nèi)存等性能擴展難以進行（一般在產(chǎn)品設計時已經(jīng)定好其內(nèi)存及數(shù)據(jù)存儲的容量），所以采用ARM結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，一般不考慮擴展?；痉钚小皦蛴镁秃谩钡脑瓌t。三、操作系統(tǒng)的兼容性X86系統(tǒng)由微軟及Intel構(gòu)建的Wintel聯(lián)盟一統(tǒng)天下，壟斷了個人電腦操作系統(tǒng)近30年，形成巨大的用戶群，也深深固化了眾多用戶的使用習慣，同時x86系統(tǒng)在硬件和軟件開發(fā)方面已經(jīng)形成統(tǒng)一的標準，幾乎所有x86硬件平臺都可以直接使用微軟的視窗系統(tǒng)及現(xiàn)在流行的幾乎所有工具軟件，所以x86系統(tǒng)在兼容性方面具有無可比擬的優(yōu)勢。ARM系統(tǒng)幾乎都采用Linux的操作系統(tǒng)，而且?guī)缀跛械挠布到y(tǒng)都要單獨構(gòu)建自己

11、的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導致其應用軟件不能方便移植，這一點一直嚴重制約了ARM系統(tǒng)的發(fā)展和應用。Google開發(fā)了開放式的Android系統(tǒng)后，統(tǒng)一了ARM結(jié)構(gòu)電腦的操作系統(tǒng)，使新推出基于ARM結(jié)構(gòu)的電腦系統(tǒng)有了統(tǒng)一的、開放式的、免費的操作系統(tǒng)，為ARM的發(fā)展提供了強大的支持和動力。四、軟件開發(fā)的方便性及可使用工具的多樣性X86結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)推出已經(jīng)近30年，在此期間，x86電腦經(jīng)過飛速發(fā)展的黃金時期，用戶的應用、軟件配套、軟件開發(fā)工具的配套及兼容等工作，已經(jīng)到達非常成熟甚至可以說是完美的境界。所以使用X86電腦系統(tǒng)不僅有大量的第三方軟件可供選擇，也有大量的軟件編程工具可以幫助您完成您所希

12、望完成的工作。Arm結(jié)構(gòu)的電腦系統(tǒng)因為硬件性能的制約、操作系統(tǒng)的精簡、以及系統(tǒng)兼容等問題的制約，造成Arm結(jié)構(gòu)的電腦系統(tǒng)不可能像X86電腦系統(tǒng)那樣有眾多的編程工具和第三方軟件可供選擇及使用，ARM的編程語言大多采用C和JAVA。對這一點的比較，更直接的結(jié)論是：基于x86結(jié)構(gòu)電腦系統(tǒng)平臺開發(fā)軟件比arm結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更容易、更簡單、實際成本也更低，同時更容易找到第三方軟件（免去自己開發(fā)的時間和成本），而且軟件移植更容易。從以上對比分析，給了我們的一個很清晰的感覺，ARM和X86結(jié)構(gòu)的電腦根本就無法對比，ARM根本就不是X86電腦的的對手。是的，如果只考慮上述幾個方面的要數(shù)，ARM確實無法與X86電腦競

13、爭，甚至連比較的資格都沒有。但是近1、2年，ARM的產(chǎn)品在終端應用特別是手持終端應用飛速發(fā)展（如：智能手機、平板電腦等），其銷售數(shù)量已經(jīng)遠遠超出x86結(jié)構(gòu)的電腦銷售數(shù)量，可見ARM是具有其與X86結(jié)構(gòu)電腦不可對比的優(yōu)勢。該優(yōu)勢就是：功耗。五、功耗X86電腦因考慮要適應各種應用的需求，其發(fā)展思路是：性能+速度。20多年來x86電腦的速度從原來8088的幾M發(fā)展到現(xiàn)在隨便就是幾G，而且還是幾核，其速度和性能已經(jīng)提升了千、萬倍，技術(shù)進步使x86電腦成為大眾生活中不可缺少的一部分。但是x86電腦發(fā)展的方向和模式，使其功耗一直居高不下，一臺電腦隨便就是幾百瓦，即使是號稱低功耗節(jié)能的手提電腦或上網(wǎng)本，也有

14、十幾、二十多瓦的功耗，這與ARM結(jié)構(gòu)的電腦就無法相比。ARM的設計及發(fā)展思路是：滿足某個特殊方面的應用即可，在某一專項領域是最強的，（哪怕在其他方面一無是處），這樣Arm以其不是最強的技術(shù)，同樣也不是很高級制程的制造工藝，生產(chǎn)出性能不是很強的電腦系統(tǒng)，但在某個專業(yè)應用方面則是最好的，特別是在眾多終端應用，尤其在移動終端應用上占有絕對優(yōu)勢的統(tǒng)治地位，這個原因就是：功耗。高功耗導致了一系列X86系統(tǒng)無法解決的問題出現(xiàn)：系統(tǒng)的續(xù)航能力弱、體積無法縮小、穩(wěn)定性差、對使用環(huán)境要求高等問題。從這里我們可以看到x86系統(tǒng)與ARM系統(tǒng)是在兩個完全不同領域方面的應用，他們之間根本不存在替換性，在服務器、工作站以

15、及其他高性能運算等應用方面，是可以不考慮功耗和使用環(huán)境等條件時，X86系統(tǒng)占了優(yōu)絕對優(yōu)勢；但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務固定的情況下ARM就占有很大的優(yōu)勢，在手持式移動終端領域，X86的功耗更使他英雄毫無用武之地。但在很多的應用終端領域，現(xiàn)正成為兩大陣營爭奪的重點，ARM陣營努力增加其性能和系統(tǒng)（特別是操作系統(tǒng)）的通用性，蠶食x86系統(tǒng)的部分終端應用市場；X86陣營努力降低功耗保住其市場，同時侵入手持移動終端市場。我們今天討論的重點就是在兩大陣營都能可以覆蓋的終端應用領域進行對比、分析。這類型的應用一定是終端應用，通常有下面幾個特征：1、系統(tǒng)的工作性質(zhì)比較固定（如：POS、ATM、車載電腦

16、系統(tǒng)、多媒體廣告播放系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以及眾多的信息接收、控制系統(tǒng)和專業(yè)的工控系統(tǒng)等等）；2、應用環(huán)境比較惡劣，如：溫度變化很大，高溫超過40度，低溫達零下20度；多塵、潮濕等；3、有一定的應用數(shù)量，但數(shù)量不是很大。這部分的應用領域傳統(tǒng)上是由X86結(jié)構(gòu)的低功耗工控機（系統(tǒng)）實現(xiàn)的，但近幾年ARM系統(tǒng)的飛速發(fā)展，特別是Android操作系統(tǒng)出現(xiàn)后，ARM+Android大有取代x86系統(tǒng)占領（低功耗）終端應用領域的趨勢。我們在考慮這種應用對比時根據(jù)ARM和X86的特性對比主要還考慮以下以及因數(shù)：1、性能：如果ARM系統(tǒng)的性能能滿足應用需求時，建議盡可能可慮采用ARM結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，否則只能考慮X8

17、6的產(chǎn)品。注意在這里我們要強調(diào)的是：不要講兩個系統(tǒng)的絕對性能進行比較，而是以能否您的應用特點為標準進行分析。2、應用數(shù)量：如果您的應用數(shù)量太少，您可能根本不值得獨立開發(fā)一套應用系統(tǒng)，但如果您的應用數(shù)量達到幾百甚至過千時，您是值得考慮自己開發(fā)一套新的系統(tǒng)的。因為：Arm的開發(fā)成本和制造成本相對比較低，如果有幾百個以上終端應用，應該可以分攤掉開發(fā)成本。如果選用X86結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，根本不應該考慮單獨開發(fā)一套專用系統(tǒng)（因為開發(fā)成本太高，可能是ARM的10倍），而是在市場上篩選出最接近您需求的產(chǎn)品，以避免高昂的硬件開發(fā)成本，和今后的制造成本（如果批次生產(chǎn)的數(shù)量不夠，排產(chǎn)成本也會很高）。3、操作系統(tǒng)ARM的

18、操作系統(tǒng)通常是單獨建立一個自己的Linux系統(tǒng)，且系統(tǒng)與系統(tǒng)間不能兼容，這嚴重制約了Arm的應用擴展，但Android出現(xiàn)后，系統(tǒng)兼容的屏障正逐步消失，促進了系統(tǒng)以及應用軟件的兼容，大大擴大了ARM應用軟件的的數(shù)量同時擴大了其應用空間。4、功耗以及功耗延伸的系列問題ARM的優(yōu)勢是功耗低，其實低功耗還意味著：1）穩(wěn)定性高：因為功耗越高電子元器件的穩(wěn)定性和可靠性越差，對低功耗的產(chǎn)品只要選擇好外圍元件的品質(zhì)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會有太大問題；2）散熱成本低和可以考慮更小的產(chǎn)品體積：對高功耗的產(chǎn)品不可避免要考慮散熱問題，而散熱設備（或器件）的存在，有制約了產(chǎn)品的體積，對某些場合的應用構(gòu)成致命的制約。但ARM的功耗以下為簡略目錄、 RISC處理器幾個關(guān)鍵知識和