CPU架构：CPU架构详细介绍
1 概述
CPU架构是CPU商给CPU产品定的⼀个规范，主要⽬的是为了区分不同类型的CPU。⽬前市场上的CPU分类主要分有两⼤阵营，⼀个是intel、AMD为⾸的复杂指令集CPU，另⼀个是以IBM、ARM为⾸的精简指令集CPU。不同品牌的CPU，其产品的架构也不相
同，Intel、AMD的CPU是X86架构，IBM公司的CPU是PowerPC架构，ARM公司的CPU是ARM架构，国内的飞腾CPU也是ARM架构。此外还有MPIS架构、SPARC架构、Alpha架构。
2 X86架构
X86架构（The X86 architecture）是微处理器执⾏的计算机语⾔指令集。X86指令集是美国Intel公司为其第⼀块16位
CPU(i8086)专门开发的，美国IBM公司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。同时电脑中为提⾼浮点数据处理能⼒⽽增加的X87芯⽚系列数字协处理器则另外使⽤X87指令，，包括后来 Intel 80186、80286、80386以及80486，由于以“86”作为结尾，以后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着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(以下简为P4)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公司所⽣产的所有CPU仍然继续使⽤X86指令集，所以它的CPU仍属于X86系列。
x86架构CPU主要应⽤领域：个⼈计算机、服务器等。在PC端市场Wintel组合（windows系统 + intel处理器）占据了⼤部分江⼭，另外⼀部分有ADM占领。⽬前国内有兆芯，从AMD和VIA获取授权，研发⾃⼰的X86CPU，有其它国产CPU + 国产操作系统（linux系）可以⽤于教育和事业单位以及军⼯⾏针对的是特殊⽤户，国产CPU和操作系统想进⼊民⽤市场，由于性能、价格以及⽣态系统等，仍需要继续优化打磨以及⼀个合适契机。
x86指令集发展
IA：Intel（英特尔）处理器的服务器称之为IA（Intel Architecture）架构服务器
x86架构和arm架构区别IA-32：英特尔32位体系架构，X86从16位到32位是在原有的架构基础上进⾏修改（Intel称之为IA-32）
x86-32：现如今Intel把x86-32称为IA-32
x86-64 分为intel和AMD
AMD64：x86架构的64位拓展，向后兼容于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”，AMD64和Intel64基本上⼀致
Intel64：EM64T（Extended Memory 64 Technology）扩展64bit内存技术，本质上和AMD64⼀样都是IA-32的增强版本。
IA-64：64位的英特尔架构，英特尔安腾架构（Intel Itanium architecture），使⽤在Itanium处理器家族上的64位指令集架构，由英特尔公司与惠普公司共同开发。IA是Intel Architecture（英特尔架构）的缩写，64指64位系统。使⽤这种架构的CPU，包括Itanium和Itanium 2。此架构与x86及x86-64并不相容，操作系统与软件需使⽤IA-64专⽤版本。
Intel推出X86架构已满40年了，同486相⽐，Pentium向前迈进了⼀⼤步， ⽽PⅡ的前进步伐则没有这么⼤了，X86 CPU的发展似乎已到了尽头。英特尔⾮常清楚，是X86指令集限制了CPU性能的进⼀步提⾼，因此，他们正同惠普共同努⼒开发下⼀代指令集架构（Instruction Set Architecture ，ISA）： EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing，显性并⾏指令计算)。对英特尔⽽⾔， IA －64（英特尔的64位架构）是下⼀个10到15年的架构。新的ISA将使英特尔摆脱X86架构的限制，从⽽设计出超越所有现有RISC CPU和X86 CPU的新型处理器。
3 ARM架构
ARM架构，也称作进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine，更早称作：Acorn RISC Machine），是⼀个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其⼴泛地使⽤在许多嵌⼊式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器⾮常适⽤于⾏动通讯领域，符合其主要设计⽬标为低耗电的特性。（其它请参考）
⽬前，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性电⼦产品上看到，从可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电⼦游戏，和计算机）到电脑外设（硬盘、桌上型路由器）甚⾄在导弹的弹载计算机等军⽤设施中都有他的存在。在此还有⼀些基于ARM设计的派⽣产品，重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。
ARM 授权⽅式：ARM 公司本⾝并不靠⾃有的设计来制造或出售 CPU ，⽽是将处理器架构授权给有兴趣的⼚家。ARM 提供了多样的授权条款，包括售价与散播性等项⽬。对于授权⽅来说，ARM 提供了 ARM 内核的整合硬件叙述，包含完整的软件开发⼯具（编译器、debugger、SDK），以及针对内含 ARM CPU 硅芯⽚的销售权。对于⽆晶圆⼚的授权⽅来说，其希望能将 ARM 内核整合到他们⾃⾏研发的芯⽚设计中，通常就仅针对取得⼀份⽣产就绪的智财核⼼技术（IP Core）认证。对这些客户来说，ARM 会释出所选的 ARM 核⼼的闸极电路图，连同抽象模拟模型和测试程式，以协助设计整合和验证。需求更多的客户，包括整合元件制造商（IDM）和晶圆⼚家，就选择可合成的RTL（暂存器转移层级，如 Verilog）形式来取得处理器的智财权（IP）。借着可整合的 RTL，客户就有能⼒能进⾏架构上的最佳化与加强。这个⽅式能让设计者完成额外的设计⽬标（如⾼震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等）⽽不会受限于⽆法更动的电路图。虽
然 ARM 并不授予授权⽅再次出售 ARM 架构本⾝，但授权⽅可以任意地出售制品（如芯⽚元件、评估板、完整系统等）。商⽤晶圆⼚是特殊例⼦，因为他们不仅授予能出售包含 ARM 内核的硅晶成品，对其它客户来讲，他们通常也保留重制 ARM 内核的权利。
国外⽣产⼚商：TI （德州仪器）、Samsung（三星）、Freescale（飞思卡尔）、Marvell（马维尔）、Nvidia（英伟达）、Qualcomm(⾼通）、STMicroelectronics(意法半导体）。
国内⽣产⼚商：华为（海思芯⽚）、飞腾（FT-1500、FT2000-4等CPU芯⽚）、兆易创新（GD32系列MCU，参考STM32系列）、瑞芯微（RK系列芯⽚）、联发科（台湾，天玑系列）。
ARM架构的CPU可以有多核，例如⼏年前联发科推出10核处理器Helio X20（被戏称⼀核有难，⼋核围观，国产FT处理器已经推出了16核处理器。但是由于ARM⾃⾝低功耗等因素的限制，核⼼数多并不⼀定能⼤⼤提升性能。
⽬前ARM主要市场是⼿机端CPU和MCU，⼿机CPU市场，由⾼通骁龙系列、华为麒麟系列、以及三
星猎户系列和联发科系列，在MCU端主要是STM32以及国产的GD32，其它⼚商的芯⽚⽤于其它领域，⽐如汽车电⼦、智能家居等。在CPU处理器上，有华为海思的鲲鹏920CPU（应⽤于泰⼭服务器中）和FT的CPU（军⼯领域），虽然FT的CPU起步很早，但是鲲鹏显然有后来居上之趋势。国内ARM芯⽚做的最好的是华为海思，鲲鹏920CPU性能在ARM架构中是NO1，另外海思麒麟系列⼿机芯⽚已发展为全球前三的地位，海思的视频处理芯⽚以及IoT芯⽚，在⾏业中都是标杆的产品。
在2020年11⽉11⽇，apple公司发布了新⼀代的mac book，亮点就是使⽤了apple⾃⼰的ARM架构的M1。由于ARM的功耗⼩，在新⼀代的macbook上，apple⼤胆的去掉了散热风扇芯⽚，将笔记本厚度进⼀步压缩，续航时间达到了18⼩时。同时，搭载M1芯⽚的mac book CPU 性能提升⾄ 3.5 倍，GPU 性能提升⾄ 5 倍，机器学习性能提升⾄ 9 倍。根据apple公司的影响⼒，未来PC中市场将会被ARM 架构的CPU替代。（天下苦wintel久已）
4 MPIS架构
MIPS是世界上很流⾏的⼀种RISC处理器。MIPS的意思是“⽆内部互锁流⽔级的微处理器”(Microprocessor without interlockedpipedstages)，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。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)⼤学Hennessy教授领导的研究⼩组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC⼯业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采⽤构成各种⼯作站和计算机系统。
MIPS技术公司是美国著名的芯⽚设计公司，它采⽤精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯⽚。和英特尔采⽤的复杂指令系统计算结构(CISC)相⽐，RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应⽤更多先进的技术，开发更快的下⼀代处理器。MIPS是出现最早的商业RISC架构芯⽚之⼀，新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并增加了许多更强⼤的功能。MIPS⾃⼰只进⾏CPU的设计，之后把设计⽅案授权给客户，使得客户能够制造出⾼性能的CPU。
1984年，MIPS计算机公司成⽴，开始设计RISC处理器；
1986年推出R2000处理器。
1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。
1988年推R3000处理器。
1991年推出第⼀款64位商⽤微处器R4000；之后⼜陆续推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型号。
1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司；随后，MIPS公司的战略发⽣变化，把重点放在嵌⼊式系统；1998年－MIPS科技股票在美国纳斯达克股票交易所公开上市。
1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集，并且增加了许多更强⼤的功能。MIPS公司陆续开发了⾼性能、低功耗的32位处理器内核（core）MIPS324Kc与⾼性能64位处理器内核MIPS645Kc。
2000年，MIPS公司发布了针对MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc处理器内核。
2007年8⽉16⽇－MIPS科技宣布，中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。
2007年12⽉20⽇－MIPS科技宣布，扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可定制化系统单芯⽚（SoC）核⼼“MIPS32
24KEcPro”授权。
MPIS架构授权和ARM架构授权不⼀样，ARM架构授权⽤户基本不能⾃⾏修改，⽽MPIS架构授权后，可以⾃⼰修改。⽬前MPIS发扬光⼤寄希望中科龙芯公司，龙芯处理器从龙芯1号，到现在的龙芯3号系列的3A4000，CPU的性能已经⼤幅度提⾼，在完全可以胜任⽇常办公或者作为特殊⽤途的服务器。龙芯CPU和国产的飞腾（FT）处理器并驾齐驱，发展我国⾃主可控CPU。
5 PowerPC系列
PowerPC 是⼀种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源⾃IBM（国际商⽤机器公司）的IBMPowerPC 601 微处理器POWER（PerformanceOptimized With Enhanced RISC；《IBM Connect 电⼦报》2007年8⽉号译为“增强RISC性能优化”）架构。⼆⼗世纪九⼗年代，IBM(国际商⽤机器公司)、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯⽚成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、⽅便灵活。
PowerPC 处理器有⼴泛的实现范围，包括从诸如 Power4 那样的⾼端服务器CPU 到嵌⼊式 CPU 市场（任天堂Gamecube 使⽤
了 PowerPC）。PowerPC处理器有⾮常强的嵌⼊式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串⾏和以太⽹控制器那样的集成 I/O，该嵌⼊式处理器与“台式机”CPU 存在⾮常显著的区别。
6 SPARC架构
SPARC架构（Scalable Processor ARChitecture，可扩展处理器架构）是国际上流⾏的RISC处理器体系架构之⼀，SPRAC如今已发展成为⼀个开放的标准，任何机构或个⼈均可研究或开发基于SPRAC架构的产品，⽽⽆需交纳版权费。SPARC 处理器架构具备精简指令集（RISC）、⽀持32 位/64 位指令精度，架构运⾏稳定、可扩展性优良、体系标准开放等特点。SPARC因此得以迅速发展壮⼤，在现在已经有⼤约3万多个成功的应⽤案例。
SPARCV7/V8 是⽬前嵌⼊式控制系统常⽤的处理器标准版本，并在航天设备的电⼦系统中得到⼴泛应⽤。然⽽，SPARC只是⼀个处理器的架构标准，并不提供现成的源码或IP核，具体的芯⽚实现要由开发者去完成。
运⾏Oracle Solaris的Oracle SPARC T4服务器提供了创世界纪录的性能，其单线程性能提⾼了5倍、内存容量⾼达2 TB且实现了极⾼的系统吞吐量和I/O容量。SPARC T4服务器适⽤于需要极⾼的可靠性、可⽤性和集成式⽚上加密加速的企业应⽤程序和任务关键型应⽤程序，可确保最终的安全性。
7 Alpha架构
Alpha处理器最早由DEC公司设计制造，在Compaq(康柏）公司收购DEC之后，Alpha处理器继续得到发展，并且应⽤于许多⾼档的Compaq服务器上。⾃1995年开始开发了21164芯⽚，那时的⼯艺为0.5um，主频为200MHz。1998年，推出新型号21264，当时的主频是600MHz。较新的21264芯⽚主频达到1GHz，⼯艺为0.18um。在该芯⽚具有完善的指令预测能⼒和很⾼的存储系统带宽（超过1GB/s），并且其中增加了处理视频信息的功能，其多媒体处理能⼒得到了增强。
Alpha架构于1992年2⽉25⽇，在东京召开的⼀次会议上⾯被正式推介，新架构的关键特性都⼀⼀的被罗列出来。当时说Alpha只是产品开发的内部代号。新处理器采⽤完全64-bit RISC设计，执⾏固定长度指令(32 bits)。有32个64 bit整数，操作43-bit的虚拟地址(在后来能够扩充到64-bit)。和VAX相同，使⽤little-endian字节顺序，即低字节的寄存器占⽤低内存地址线。⽽不像如摩托罗拉等⼤多数处理器所使⽤的big-endian字节顺序，即低字节寄存器占⽤⾼内存地址线。除此之外，处理器还内建⼀个算术协处理器，有32个浮点64-bit 寄存器，采⽤随机存取，⽽不是在intel x86协处理器上使⽤的堆栈存取⽅式。整个Alpha的⽣命周期被设计为⾄少25年。
Alpha处理器被⽤于DEC⾃⼰的⼯作站和服务器中。作为VAX的后续被开发，⽀持VMS操作系统，如 Digital UNIX。不久之后开放源代码的操作系统也可以在其上运⾏，如Linux和 DSB 。Microsoft ⽀持这款处理器，直到Windows NT 4.0 SP6 ，但是从Windows 2000 RC2开始放弃了对Alpha的⽀持。

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