處理器知識(shí)-RISC和CISC架構(gòu)分析對(duì)比

1、 處理器知識(shí): RISC和CISC架構(gòu)分析對(duì)比 CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))和RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))是當(dāng)前CPU的兩種架構(gòu)。它們的區(qū)別在于不同的CPU設(shè)計(jì)理念和方法。早期的CPU全部是CISC架構(gòu)，它的設(shè)計(jì)目的是CISC要用最少的機(jī)器語(yǔ)言指令來(lái)完成所需的計(jì)算任務(wù)。RISC和CISC是設(shè)計(jì)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(yùn)行、軟件硬件、編譯時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等諸多因素中做出某種平衡，以求達(dá)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(shí)產(chǎn)權(quán)）的公司，所謂的技術(shù)知識(shí)

2、產(chǎn)權(quán)，就有點(diǎn)像是賣(mài)房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，至于要怎修改，哪邊開(kāi)窗戶(hù)，以及要怎加蓋其它的花園，就看買(mǎi)了設(shè)計(jì)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(chēng)一樣，Advanced RISC Machines，RISC架構(gòu)在當(dāng)初的PC架構(gòu)爭(zhēng)霸戰(zhàn)雖然敗給Intel所主導(dǎo)的x86處理器架構(gòu)，卻默默在另外的領(lǐng)域成長(zhǎng)壯大；小從硬盤(pán)轉(zhuǎn)速控制、電信基地臺(tái)的計(jì)算、汽車(chē)噴射引擎的控制、音響系統(tǒng)、相機(jī)引擎，大到電動(dòng)機(jī)具的控制等等，都能夠看見(jiàn)采用ARM授權(quán)架構(gòu)處理器的身影。而有了設(shè)計(jì)圖，當(dāng)然還要有把設(shè)計(jì)圖實(shí)現(xiàn)的廠商，而這些就是ARM架構(gòu)的授權(quán)客戶(hù)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(kāi)發(fā)制造的一種微處理器體系結(jié)構(gòu)的泛稱(chēng)，包括Intel8086、80186、80286、80386以及80486以86結(jié)尾系列，英特爾統(tǒng)治整個(gè)CPU產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。但是，Intel以增加處理器本身復(fù)雜度作為代價(jià)，去換取更高的性能，但集成的指令集數(shù)量越來(lái)越多，給硬件帶來(lái)的負(fù)荷也就越來(lái)越大，無(wú)形中增加了功耗和設(shè)計(jì)難度。ARM（Advanced RISC Machines）公司是蘋(píng)果、Acorn、VLSI、Technology等公司的合資企業(yè)。ARM采用將芯片的設(shè)計(jì)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(guò)100個(gè)的合作伙伴（Partners），

4、將封閉設(shè)計(jì)的Intel公司變成全民公敵。ARM處理器非常適用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，具有低成本、高性能和低耗電的特性，ARM的高性?xún)r(jià)比和低耗能在移動(dòng)市場(chǎng)比英特爾更具優(yōu)勢(shì)。ARM的架構(gòu)相較于x86有哪些特點(diǎn)？相較于基于CISC的x86架構(gòu)處理器，由于為了滿(mǎn)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(gè)指令集用到的頻率也越差越大，許多指令到后來(lái)已經(jīng)相當(dāng)少用，甚至是可以被新的指令所取代。而ARM架構(gòu)則大幅簡(jiǎn)化架構(gòu)，僅保留所需要的指令，可以讓整個(gè)處理器更為簡(jiǎn)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(zhuān)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(guò)SoC（System On a Chip，系統(tǒng)單芯片）的方式，一顆小小的ARM架構(gòu)應(yīng)用處理器，完成近年x86架構(gòu)處理器積極跨足的單芯片設(shè)計(jì)，并且透過(guò)各種不同的核心分工各司其職，ARM架構(gòu)應(yīng)用處理器的核心負(fù)擔(dān)相較傳統(tǒng)x86處理器低上許多，并且因?yàn)樵缜皯?yīng)用處理器的需求就是以低功耗為重點(diǎn)，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(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是自由性，只要像ARM買(mǎi)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(hù)本身的優(yōu)勢(shì)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(guò)這也使得ARM應(yīng)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(jī)以及平板能夠迅速竄紅，蘋(píng)果iOS裝置可說(shuō)是大功臣，在蘋(píng)果之前，智能手機(jī)在市場(chǎng)上一直載浮載沉，雖然有著號(hào)稱(chēng)智能手機(jī)平臺(tái)市占率第一的Nokia Symbian，以及Windows Mobile、Palm OS、BlackBerry等系統(tǒng)，不過(guò)當(dāng)時(shí)的環(huán)境在缺乏行動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為后盾，在線商店的概念也還未發(fā)展成型；一直到蘋(píng)果以iPhone打響新世代智能手機(jī)第一炮后，市場(chǎng)才真正體認(rèn)到

7、智能手機(jī)原來(lái)可以是這么容易使用。iPhone的出現(xiàn)也間接帶起市場(chǎng)對(duì)于ARM架構(gòu)應(yīng)用處理器的需求，不過(guò)光是蘋(píng)果也無(wú)法帶起市場(chǎng)對(duì)于ARM處理器的需求，如WM（WP7)手機(jī)與Symbian也紛紛加入新一代智能手機(jī)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(jī)廠商取得一個(gè)相較過(guò)去成熟的通用智能手機(jī)平臺(tái)，而各廠商又為了進(jìn)行產(chǎn)品差異化，開(kāi)始針對(duì)ARM架構(gòu)應(yīng)用處理器的效能以及硬件支持要求，使得過(guò)去發(fā)展緩速的ARM架構(gòu)一下子熱絡(luò)起來(lái)，也讓ARM架構(gòu)一夕之間成為火熱話題。GOOGLE的Android系統(tǒng)和蘋(píng)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(yīng)用

8、）受到用戶(hù)的廣泛支持和追捧，ARM+Android成為IT、通信領(lǐng)域最熱門(mén)的話題，眾多芯片廠商紛紛推出具有各種獨(dú)特應(yīng)用功能基于ARM結(jié)構(gòu)開(kāi)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?xún)r(jià)比“概念受到根本的動(dòng)搖和沖擊，“適用的才是最好的”已經(jīng)被越來(lái)越多的用戶(hù)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(jìn)行一個(gè)系統(tǒng)分析，方便用戶(hù)在選擇系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行理性、合理的比價(jià)分析。一、性能：X86結(jié)構(gòu)的電腦無(wú)論如何都比ARM結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在性能方面要快得多、強(qiáng)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(jí)）制程的工藝進(jìn)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(shuō)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(duì)手。但ARM的優(yōu)勢(shì)不在于性能強(qiáng)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(shì)，而在一些任務(wù)相對(duì)固定的應(yīng)用場(chǎng)合其優(yōu)勢(shì)就能發(fā)揮得淋漓盡致。二、擴(kuò)展能力X86結(jié)構(gòu)的電腦采用“橋”的方式與擴(kuò)展設(shè)備（如：硬盤(pán)、內(nèi)存等）進(jìn)行連接，而且x86結(jié)構(gòu)的電腦出現(xiàn)了近30年，其配套擴(kuò)展的設(shè)備種類(lèi)多、價(jià)格也比較便宜，所以x86結(jié)構(gòu)的電腦能很容易進(jìn)行性能擴(kuò)展，如增加內(nèi)存、硬盤(pán)等。ARM結(jié)構(gòu)的電腦是通過(guò)專(zhuān)用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存

10、儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行連接，所以ARM的存儲(chǔ)、內(nèi)存等性能擴(kuò)展難以進(jìn)行（一般在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)定好其內(nèi)存及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量），所以采用ARM結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，一般不考慮擴(kuò)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(gè)人電腦操作系統(tǒng)近30年，形成巨大的用戶(hù)群，也深深固化了眾多用戶(hù)的使用習(xí)慣，同時(shí)x86系統(tǒng)在硬件和軟件開(kāi)發(fā)方面已經(jīng)形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有x86硬件平臺(tái)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(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。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(dú)構(gòu)建自己

11、的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導(dǎo)致其應(yīng)用軟件不能方便移植，這一點(diǎn)一直嚴(yán)重制約了ARM系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。Google開(kāi)發(fā)了開(kāi)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(kāi)放式的、免費(fèi)的操作系統(tǒng)，為ARM的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持和動(dòng)力。四、軟件開(kāi)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(guò)飛速發(fā)展的黃金時(shí)期，用戶(hù)的應(yīng)用、軟件配套、軟件開(kāi)發(fā)工具的配套及兼容等工作，已經(jīng)到達(dá)非常成熟甚至可以說(shuō)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?yàn)橛布阅艿闹萍s、操作系統(tǒng)的精簡(jiǎn)、以及系統(tǒng)兼容等問(wèn)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(yǔ)言大多采用C和JAVA。對(duì)這一點(diǎn)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(tái)開(kāi)發(fā)軟件比arm結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更容易、更簡(jiǎn)單、實(shí)際成本也更低，同時(shí)更容易找到第三方軟件（免去自己開(kāi)發(fā)的時(shí)間和成本），而且軟件移植更容易。從以上對(duì)比分析，給了我們的一個(gè)很清晰的感覺(jué)，ARM和X86結(jié)構(gòu)的電腦根本就無(wú)法對(duì)比，ARM根本就不是X86電腦的的對(duì)手。是的，如果只考慮上述幾個(gè)方面的要數(shù)，ARM確實(shí)無(wú)法與X86電腦競(jìng)

13、爭(zhēng)，甚至連比較的資格都沒(méi)有。但是近1、2年，ARM的產(chǎn)品在終端應(yīng)用特別是手持終端應(yīng)用飛速發(fā)展（如：智能手機(jī)、平板電腦等），其銷(xiāo)售數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出x86結(jié)構(gòu)的電腦銷(xiāo)售數(shù)量，可見(jiàn)ARM是具有其與X86結(jié)構(gòu)電腦不可對(duì)比的優(yōu)勢(shì)。該優(yōu)勢(shì)就是：功耗。五、功耗X86電腦因考慮要適應(yīng)各種應(yīng)用的需求，其發(fā)展思路是：性能+速度。20多年來(lái)x86電腦的速度從原來(lái)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(wàn)倍，技術(shù)進(jìn)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(tái)電腦隨便就是幾百瓦，即使是號(hào)稱(chēng)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(wú)法相比。ARM的設(shè)計(jì)及發(fā)展思路是：滿(mǎn)足某個(gè)特殊方面的應(yīng)用即可，在某一專(zhuān)項(xiàng)領(lǐng)域是最強(qiáng)的，（哪怕在其他方面一無(wú)是處），這樣Arm以其不是最強(qiáng)的技術(shù)，同樣也不是很高級(jí)制程的制造工藝，生產(chǎn)出性能不是很強(qiáng)的電腦系統(tǒng)，但在某個(gè)專(zhuān)業(yè)應(yīng)用方面則是最好的，特別是在眾多終端應(yīng)用，尤其在移動(dòng)終端應(yīng)用上占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的統(tǒng)治地位，這個(gè)原因就是：功耗。高功耗導(dǎo)致了一系列X86系統(tǒng)無(wú)法解決的問(wèn)題出現(xiàn)：系統(tǒng)的續(xù)航能力弱、體積無(wú)法縮小、穩(wěn)定性差、對(duì)使用環(huán)境要求高等問(wèn)題。從這里我們可以看到x86系統(tǒng)與ARM系統(tǒng)是在兩個(gè)完全不同領(lǐng)域方面的應(yīng)用，他們之間根本不存在替換性，在服務(wù)器、工作站以

15、及其他高性能運(yùn)算等應(yīng)用方面，是可以不考慮功耗和使用環(huán)境等條件時(shí)，X86系統(tǒng)占了優(yōu)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務(wù)固定的情況下ARM就占有很大的優(yōu)勢(shì)，在手持式移動(dòng)終端領(lǐng)域，X86的功耗更使他英雄毫無(wú)用武之地。但在很多的應(yīng)用終端領(lǐng)域，現(xiàn)正成為兩大陣營(yíng)爭(zhēng)奪的重點(diǎn)，ARM陣營(yíng)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(yīng)用市場(chǎng)；X86陣營(yíng)努力降低功耗保住其市場(chǎng)，同時(shí)侵入手持移動(dòng)終端市場(chǎng)。我們今天討論的重點(diǎn)就是在兩大陣營(yíng)都能可以覆蓋的終端應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行對(duì)比、分析。這類(lèi)型的應(yīng)用一定是終端應(yīng)用，通常有下面幾個(gè)特征：1、系統(tǒng)的工作性質(zhì)比較固定（如：POS、ATM、車(chē)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(zhuān)業(yè)的工控系統(tǒng)等等）；2、應(yīng)用環(huán)境比較惡劣，如：溫度變化很大，高溫超過(guò)40度，低溫達(dá)零下20度；多塵、潮濕等；3、有一定的應(yīng)用數(shù)量，但數(shù)量不是很大。這部分的應(yīng)用領(lǐng)域傳統(tǒng)上是由X86結(jié)構(gòu)的低功耗工控機(jī)（系統(tǒng)）實(shí)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(lǐng)（低功耗）終端應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢(shì)。我們?cè)诳紤]這種應(yīng)用對(duì)比時(shí)根據(jù)ARM和X86的特性對(duì)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(mǎn)足應(yīng)用需求時(shí)，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(qiáng)調(diào)的是：不要講兩個(gè)系統(tǒng)的絕對(duì)性能進(jìn)行比較，而是以能否您的應(yīng)用特點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析。2、應(yīng)用數(shù)量：如果您的應(yīng)用數(shù)量太少，您可能根本不值得獨(dú)立開(kāi)發(fā)一套應(yīng)用系統(tǒng)，但如果您的應(yīng)用數(shù)量達(dá)到幾百甚至過(guò)千時(shí)，您是值得考慮自己開(kāi)發(fā)一套新的系統(tǒng)的。因?yàn)椋篈rm的開(kāi)發(fā)成本和制造成本相對(duì)比較低，如果有幾百個(gè)以上終端應(yīng)用，應(yīng)該可以分?jǐn)偟糸_(kāi)發(fā)成本。如果選用X86結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，根本不應(yīng)該考慮單獨(dú)開(kāi)發(fā)一套專(zhuān)用系統(tǒng)（因?yàn)殚_(kāi)發(fā)成本太高，可能是ARM的10倍），而是在市場(chǎng)上篩選出最接近您需求的產(chǎn)品，以避免高昂的硬件開(kāi)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(huì)很高）。3、操作系統(tǒng)ARM的

18、操作系統(tǒng)通常是單獨(dú)建立一個(gè)自己的Linux系統(tǒng)，且系統(tǒng)與系統(tǒng)間不能兼容，這嚴(yán)重制約了Arm的應(yīng)用擴(kuò)展，但Android出現(xiàn)后，系統(tǒng)兼容的屏障正逐步消失，促進(jìn)了系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件的兼容，大大擴(kuò)大了ARM應(yīng)用軟件的的數(shù)量同時(shí)擴(kuò)大了其應(yīng)用空間。4、功耗以及功耗延伸的系列問(wèn)題ARM的優(yōu)勢(shì)是功耗低，其實(shí)低功耗還意味著：1）穩(wěn)定性高：因?yàn)楣脑礁唠娮釉骷姆€(wěn)定性和可靠性越差，對(duì)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(huì)有太大問(wèn)題；2）散熱成本低和可以考慮更小的產(chǎn)品體積：對(duì)高功耗的產(chǎn)品不可避免要考慮散熱問(wèn)題，而散熱設(shè)備（或器件）的存在，有制約了產(chǎn)品的體積，對(duì)某些場(chǎng)合的應(yīng)用構(gòu)成致命的制約。但ARM的功耗以下為簡(jiǎn)略目錄、 RISC處理器幾個(gè)關(guān)鍵知識(shí)和