CPU X86架構和ARM架構入門篇

2021-10-01 20:03:32 字數 3480 閱讀 4195

mips架構

powerpc架構

常見的四大cpu體系結構arm、x86/atom、mips、powerpc,這裡我們來看下主流的x86架構和arm架構。

cpu的x86和arm架構有啥區別?指令集又是啥?

它誕下amd和intel,孕育了矽谷,讓賈伯斯頂禮膜拜–仙童半導體公司

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x86架構——和英特爾直面對抗,為什麼說amd是晶元企業中最可怕的那個

晶元行業的巨頭arm(英國公司,2023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兩個主要的發展方向根據指令集架構來劃分: 複雜指令集vs精簡指令集

而複雜指令集和精簡指令集最為代表性的cpu架構 : x86 和 arm

使用x86架構生產cpu的巨頭公司: intel 和 amd (這兩家的創始人都是從仙童半導體公司出走創辦的) ,採用複雜指令集 (cisc)

使用arm(advanced risc machine)架構生產cpu的巨頭公司: 英國arm公司,採用精簡指令集 (risc),arm公司依靠 智財權(ip) 和 指令集架構授權盈利。arm 公司本身並不靠自有的設計來製造或** cpu ,而是將處理器架構授權給有興趣的廠家,比如手機行業的 高通、三星巨頭都需要依靠arm架構來生產手機晶元 。

**處理單元(cpu)主要由運算器、控制器、暫存器三部分組成。

簡單的說

目前已存的指令集架構有4種:

基於vliw研發的cpu架構主要用於早期的小型機,現在已基本消亡。而epic是intel和hp從vliw中發展出來的,目前好像只有intel的ia-64架構下的純64位微處理器的itanium/itanium 2採用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,首先需要先了解複雜指令集(cisc)和精簡指令集(risc),這兩個是處理器設計的兩個大的方向

舉個簡單的例子來理解cisc 和 risc:機械人跳舞

複雜指令集,下發一條跳舞指令,機械人就可以完成跳舞

精簡指令集,需要下發 上下左右前前後後等多條指令,機械人才能完成跳舞。

基於指令集的cpu架構 (除了x86是cisc,剩下的基本都是risc):

x86架構是微處理器執行的計算機語言指令集,基於intel 8086且向後相容的**處理器指令集架構,包括intel 8086、80186、80286、80386以及80486,由於以「86」作為結尾,因此其架構被稱為「x86」

應用領域:個人計算機、伺服器等

arm架構是乙個精簡指令集(risc)處理器架構,其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。由於節能的特點,arm處理器非常適用於移動通訊領域,符合其主要設計目標為低耗電的特性。

應用領域:手機、pad、導航系統、網路裝置等都是arm架構,目前世界上使用最廣泛的cpu就是arm

arm架構主要用途決定其追求處理器功耗低,而x86架構則是處理能力強大。現在主流的arm晶元已使用10nm製程工藝了,而i7cpu卻依然採用的14nm製程工藝

對於64位計算,x86架構的兩巨頭arm和intel也有一些顯著區別。intel最初並沒有開發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),實際上是amd設計開發的。intel做的64位計算,是搞了乙個新64位處理器專案名為ia64。由此製造出了itanium系列處理器。而amd知道自己造不出能與ia64相容的處理器,於是它把x86擴充套件一下,加入了64位定址和64位暫存器。最終出來的架構,就是 amd64,成為了64位版本的x86處理器的標準。

而arm在看到移動裝置對64位計算的需求後,於2023年發布了armv8 64位架構。armv8使用了兩種執行模式,aarch32和aarch64。顧名思義,乙個執行32位**,乙個執行64位**。arm設計的巧妙之處,是處理器在執行中可以無縫地在兩種模式間切換

arm的big.little架構是一項intel一時無法複製的創新。

在big.little架構裡,處理器可以是不同型別的。

傳統的雙核或者四核處理器中包含同樣的2個核或者4個核,每個核提供一樣的效能,擁有相同的功耗。而arm通過big.little向移動裝置推出了異構計算。這意味著處理器中的核可以有不同的效能和功耗。當裝置正常執行時,使用低功耗核,而當你需要高計算能力時,使用的是高效能的核。

首先,功耗和工藝製程相關.

現在主流的製程工藝在10nm-14nm,而主流arm架構cpu和x86架構cpu的製程工藝相差不大。

其次和設計相關。

x86為了增強對亂序操作的處理能力,加強了亂序指令的執行。此外,x86還增強了單核的多執行緒能力。,效能高,功耗高。 arm的指令強在確定次序的執行,並且依靠多核而不是單核多執行緒來執行。這樣容易保持子模組和時鐘訊號的關閉,顯然就更省電。

上世紀80年代由美國史丹福大學hennessy教授的研究小組研發,它採用精簡指令系統計算結構(risc)來設計晶元。

mips是出現最早的商業risc架構晶元之一,新的架構整合了所有原來mips指令集,並增加了許多更強大的功能。mips自己只進行cpu的設計,之後把設計方案授權給客戶,使得客戶能夠製造出高效能的cpu。

應用領域:工作站等計算機平台,目前國內龍芯主要使用mips架構機器

02年,中科院計算機研究所製造了龍芯處理器,但未經授權,一直被mips公司狀告侵權。07年,中科院計算機研究所的龍芯處理器獲得了mips的全部專利、指令集授權,中國開始走上了一mips為基礎的cpu研發道路。

powerpc是ibm聯合蘋果、摩托羅拉公司研發的一種基於risc精簡指令集的cpu。

powerpc架構最大優點是靈活性非常好,核心數目靈活可變,因此在嵌入式裝置上具有很高效益,可以針對伺服器市場做超多核,針對掌機做雙核,因此它具有優異的效能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。

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