CPU架构讲解X86、ARM、RISC、MIPS
一、当前CPU的主流架构:
1.X86架构
采用CISC指令集(复杂指令集计算机),程序的各条指令是按顺序串行执行的,每
条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。
2.ARM架构
是一个32位的精简指令集(RISC)架构。
3.RISC-V架构
是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构。
4.MIPS架构
是一种采取精简指令集(RISC)的处理器架构,可支持高级语言的优化执行。
CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范,是区分不同类型
CPU的重要标示。
二、目前市面上的CPU分类主要分有两大阵营:
1.intel、AMD为首的复杂指令集CPU;
2.IBM、ARM为首的精简指令集CPU。
两个不同品牌的CPU,其产品的架构也不相同,例如,Intel、AMD的CPU是X86架构的,而IBM的CPU是PowerPC架构,ARM是ARM架构。
三、四大主流CPU架构详解(X86、ARM、RISC、MIPS)
1.X86架构
X86是微处理器执行的计算机语言指令集,指一个Intel通用计算机系列的标准编
x86架构和arm架构区别号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合。1978年6月8日,Intel 发布了新款
16位微处理器8086,也同时开创了一个新时代:X86架构诞生了。
X86指令集是Intel为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,IBM 1981年推出
的世界第一台PC机中的CPU–i8088(i8086简化版)使用的也是X86指令。
采用CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)架构。与采用
RISC不同的是,在CISC处理器中,程序的各条指令是按顺序串行执行的,每条指
令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单,但计算机各
部分的利用率不高,执行速度慢。
随着CPU技术的不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的
Pentium 4系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继
承丰富的软件资源,所以Intel所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。
Intel CPU体系架构分析:
目前我们所遇到的CPU体系架构按照名称主要分为两大类:IA和x86,在这两类
下又分别划分有32位和64位。按照这样的分类,就出现了四种体系架构名称:
IA-32,IA-64,X86-32,X86-64。
1)x86
x86是Intel首先研发的一种CPU体系架构,这种体系架构也常被称为80×86。
该系列最早的处理器即为16位的Intel 8086。由于Intel早年对于这个系列的
处理器都是以80开头并以86结尾,比如Intel 8086、80186、80286及80386
等,因此用x86或者80×86表示该体系架构,其中“x”即为英文字母x。
x86代表一类处理器的体系架构,并不特指Intel的处理器,比如AMD也生产
遵循x86架构的处理器。另外,x86体系架构包含16位、32位和64位。
2)x86-32
表示32位的x86体系架构,该系列也被称为IA-32或i386,甚至直接使用x86
来代表这种体系架构。该架构的第一款CPU为Intel 80386,它完全取代了16
位x86架构的CPU。
3)x86-64
表示64位的x86体系架构。该架构由AMD首推,因此AMD将其称为AMD64。
Intel随后也推出了64位的x86架构,将其称为Intel64。由于这两个64位的
架构几乎相同,因此许多其他厂商使用不偏袒任何厂商的称呼x86-64来表示
对这两个架构的兼容。该架构有时也被称为x86_64或x64,某些厂商也用
AMD64或amd64同时表示Intel64和AMD64。
4)IA-32
表示英特尔32位元架构,英文全称为Intel Architecture 32-bit.它与x86-32表
示同一种体系架构,只不过Intel现如今将x86-32称为IA-32。
5)IA-64
表示Intel与惠普合作开发的一种崭新的64位体系架构,它与x86架构不兼
容。因此,IA-64与上面提到的x86-64或x64代表的含义不同。
2.ARM架构
ARM是高级精简指令集的简称(Advanced RISC Machine),它是一个32位的精简指令集(RISC)架构,但也配备16位指令集,一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。
其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点,ARM处理器非常适用于移动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。如今,ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例,使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM 处理器可以在很多消费电子产品上看到。
体积小、低功耗、低成本、高性能——ARM被广泛应用在嵌入式系统中的最重要的原因支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;大量使用寄存器,指令执行速度更快;大多数数据操作都在寄存器中完成;寻址方式灵活简单,执行效率高;指令长度固定。Load_store结构:在RISC中,所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。
而在CSIC中,CPU是可以直接对内存进行操作的。流水线处理方式
Ps : RISC和CISC
个人计算机也常被成为X86 架构计算机,因为当前计算机大量应用的是英特尔X86 架构的CPU。X86 架构的CPU 采用的是复杂指令集,而当前手机芯片采用的是精简指令集。所谓指令集是处理器可以执行操作的最小单元的集合,例如加减乘除就是由具体的指令来实现的。复杂指令集(CISC)指令数目多而且复杂,每条指令长度也不相同,指令执行具有灵活性,单条个别指令可以处理较为丰富的工作内容,但是带来的问题是更多的灵活性使得CISC 处理器资源利用率不高,就好比5 项全能选手虽然能跑能跳,但是跟跑步专项选手相比不占优势。精简指令集(RISC)处理器就是我们所说的专项选手,微指令集较为精简、完成动作单一。因此单个微指令运行时间较为简短,要完成相对复杂的操作,需要运行的微指令个数增多。
RISC:精简指令集处理器,Reduced Instruction Set Computer
RISC结构简单,选取了使用频率高的简单指令,指令长度固定,多为单周期指令在功耗、体积、价格等方面有很大优势,多用于嵌入式领域
CISC:复杂指令集处理器
侧重于硬件执行指令的功能性,CISC指令及处理器的硬件结构复杂
CISC指令复杂,指令长度与周期不固定,在处理能力上有优势
3.RISC-V架构
RISC-V 架构是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA),RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V 指令集完全开源,设计简单,易于移植Unix系统,模块化设计,完整工具链,同时有大量的开源实现和流片案例,得到很多芯片的认可。
RISC-V 架构的起步相对较晚,但发展很快。它可以根据具体场景选择适合指令集的指令集架构。基于RISC-V 指令集架构可以设计服务器CPU,家用电器CPU,工控CPU和用在比指头小的传感器中的CPU。
4.MIPS架构
MIPS架构(MIPS architecture,为Microprocessor without interlocked piped stages architecture的缩写,亦为Millions of Instructions Per Second的相关语),是一种采取精简指令集(RISC)的处理器架构,1981年出现,由MIPS科技开发并授权,广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS 架构是32位,最新的版本已经变成64位。
MIPS架构是基于一种固定长度的定期编码指令集,并采用导入/存储(Load/Store)数据模型。经改进,这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式,允许编译器优化复杂的表达式。
如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位,最新的版本已经变成64位。
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
这些特性使MIPS架构能够提供最高的每平方毫米性能和当今SoC设计中最低的能耗。
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