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  • cpu架构
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    2022-04-16 21:56:34

    指令集

    计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令,程序就是一系列按一定顺序排列的指令,执行程序的过程就是计算机的工作过程。指令集,就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合,而每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否,也关系到CPU的性能发挥,它也是CPU性能体现的一个重要标志。指令的强弱也是CPU的重要指标,指令集是提高微处理器效率的最有效的工具之一。从现阶段的主流体系结构讲,指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分

    CISC(复杂指令集)

    复杂指令集,也称为CISC指令集,英文名是CISC,(ComplexInstruction Set Computina的缩写)。在CISC微处理器中,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。其实它是英特尔生产的x86系列(也就是IA-32架构)CPU及其兼容CPU,如AMD、VIA的。即使是现在新起的X86-64(也被称 AMD64)都是属于CISC的范畴。

    X86 架构

    Intel x86是英特尔公司于1978年推出的16位微处理器。
    x86泛指一系列基于Intel 8086且向后兼容的中央处理器指令集架构。
    Intel在早期以80x86这样的数字格式来命名处理器,包括Intel 8086、80186、80286、80386(i386, 从16位时代带入了32位时代)以及80486,由于以“86”作为结尾,因此其架构被称为“x86”。由于数字并不能作为注册商标,因此Intel及其竞争者均在新一代处理器使用可注册的名称,如奔腾(Pentium)、酷睿(Core)、锐龙(Ryzen,AMD推出)。
    x86的32位架构一般又被称作IA-32,全名为“Intel Architecture, 32-bit”。

    AMD64

    AMD64,或“x64”,是一种64位元的电脑处理器架构。它是基于现有32位元的x86架构,由AMD公司所开发。之后也被Intel采用,被其称为“Intel 64”。一般也被称作“x86-64”、“x64”。
    值得注意的是,Intel也推出过IA-64架构,虽然名字上与“IA-32”相似,但两者完全不兼容,并不属于x86指令集架构家族。

    RISC(精简指令集)

    精简指令集计算机(RISC:Reduced Instruction Set ComputingRISC)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器,起源干80年代的 MIPS主机(即RISC机),RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来,它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令即MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的品体管和电路元件,计算机指令集越大就会使微处理器更复杂,执行操作也会更慢纽约约克镇IBM研究中心的lohn Cocke证明,计笪机中约20%的指令承担了80%的工作,千1974年,他提出RISC的概念。许多当前的微芯片都使用RISC概念。

    ARM

    ARM(Advanced RISC Machines)是一个32位RISC(精简指令集)处理器架构。
    ARM64 是一个64位处理器架构。

    CISC和RISC区别

    从硬件角度来看CISC处理的是不等长指令集,它必须对不等长指令进行分割,因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。而
    RISC执行的是等长精简指今集CP在执行指的时候度较快目性能稳定。因此在并行外理方面RISC明显优CISCRISC可同时执行
    多条指令,它可将一条指令分割成若干个进程或线程,交由多个处理器同时执行。由于RISC执行的是精简指令集,所以它的制造工艺简单且成本低廉。

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    万次阅读 多人点赞 2020-04-25 10:12:43
    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,...

    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

          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ARM介绍

            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。

    龙芯

           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整数寄存器,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。

        目前国内采用此架构的是申微超算处理器,得益于国家的支持,申威处理器在军队应用广泛。

    8 架构之间的竞争

    8.1 PC和服务竞争

             PC端和服务器端是X86架构的天下,而X86架构基本是以Intel为首,AMD为辅二分天下之势。国产CPU基本只能用在军工行业或者事业单位等。其实说性能,powerpc,可谓是高出不胜寒。硬件方面,Power系统在可靠性、可用性和可维护性的方面的出色表现使得 IBM从芯片到系统所设计的整机方案有着独有的优势。Power架构的处理器在超算、大型企业的UNIX服务器等多个方面应用也十分成功。在软件方面,其专用的AIX系统在稳定性、软件方案集成度和厂商技术支持能力方面都要更强。由于用户选一平台主要看软件需求,一般对数据保护和7*24小时不宕机等有所要求,power架构的稳定性和运维等方面相对更优。但是,由于IBM的技术把控,使得其价格太不友好,同时技术也赶不上环境的变化,在云计算兴起后,随着分布式系统逐渐成熟,系统对小型机的依赖开始降低,改为依靠集群提供,性能也可实现分布式处理。而更为关键的是,IBM的全套服务尽管稳定性优秀,但却影响了Power架构对其他商家的吸引力。

            而Sparc架构和Power架构基本犯了同样的错误:价格不友好。SPARC架构测成功和Sun旗下的Solaris系统有着密不可分的关系。当计算机系统庞大、用户数量巨大增加时,基于Unix操作系统打造的 Solaris能更好地利用计算机资源,是所有商业版中最可靠最完善的版本。而依赖SPARC架构和Solaris系统的性能和可靠性,其占领了服务器高端市场。Sun的另一个更为知名的产品是Java,虽然在上世纪90年代为智能家电开发的Java并没有为其带来相应的回报,但已成为今天移动时代最重要的开发语言。如此强大的实力本应统领服务器市场,但遗憾的是,在windows和英特尔组成Wintel联盟之后,两者凭借自身在各自市场的规模效应,使得采用Wintel产品的服务器厂商可以通过低廉的价格大肆抢占中低端市场。而当Sun醒悟过来,通过开源等方式想要挽回败局时为时已晚。

            X86架构与Power和SPARC在高性能领域的风生水起不同,x86架构是天生的小屌丝。1978年他出生的那年,英特尔还只是一个普通的科技公司。可是x86架构随同其cisc指令集却开启了一个新的时代。x86之所以可以赢得市场主要原因在于其是一个十分开放的架构。IBM和SUN当年都是从芯片到服务器到系统一手包办的公司。而英特尔则是一个十分纯粹的芯片厂商,其业务仅与AMD等少数芯片生产者存在竞争,这就使得服务器厂商不用忌惮与之发生竞争关系。

            单从性能来看,无论Power还是SPARC架构都可以击溃x86,可是最终能够赢下来的却偏偏是"最弱"的x86架构。这并非劣币淘汰良币,而是市场竞争的选择,根源上讲,x86的成功在于英特尔根本不碰服务器。因此不论设备生产商、软件开发者或者系统开发者都可以与不存在利益竞争关系的英特尔合作。受益于此,x86架构的兼容性也越发强大,生态体系越发完善,这才成就了现如今市场占有率超过90%的一家独大局面,英特尔也借助x86架构一跃成为全球顶级的芯片提供商。

    8.2 移动端竞争

            正如PC和服务器端是X86的天下一样,移动端是ARM的天下。Intel在CPU界的大名,可谓家喻户晓,但是在手机登移动端却难以看到英国ARM公司背影。在2006年,自从AMD的64位处理器发布以来,AMD成功逆袭了Intel,市场占有率大幅上升,而Intel老迈的P4处理器则是腹背受敌,尽失昔日霸气,市场表现一路走低。为了稳住投资人的信心,最好的做法自然是让公司持续盈利,为此Intel进行大规模的重整,包括上任新CEO 欧德宁、大规模裁员、以及出售XScale手机处理器业务。正因为这个举措,使得Intel到达了人生巅峰,从PC市场有赚的钵满盆满,然而也是因为此,Intel忽视了移动领域的迅猛发展。(当年,Intel拒绝了乔帮主还是PPT的Iphone手机,不然是否就会不一样?但是想一下Iphone X 使用Intel基带,信号差的诟病,Intel做手机芯是否会臭名昭著也未可知)

            和Intel公司不同, ARM公司不制造,不销售芯片,而是只自己设计IP核,包括指令集架构、微处理器、GPU、互连架构等,然后谁想用就授权卖给谁,再从每颗实际造出来的产品中收取版税。ARM有三种授权模式,分别是架构授权、内核授权、使用授权,分别对应大中小公司,非常讨喜,贴个牌子就能说是自己的CPU,为ARM处理器的广泛使用打下坚实基础。

            ARM的成功除了商业模式的独特之外还少不得自身素质的优秀,Intel技术毫无疑问是顶尖的,但应用场景在传统PC上,换成移动设备就行不通了,移动设备比起性能首先要考虑功耗和续航,Intel就吃了这个大亏,X86架构独步天下肯定是不能随意变改的,移动设备当然继续沿用X86架构,然而换来却是高功耗和快速掉电,换谁都看不上。反之功耗控制则是ARM的强项,使用精简指令集(RISC)和创新的big.LITTLE架构,使ARM处理器能耗比一直领先于Intel。

            Intel正在积极布局,推出应用于 IoT 物联网的 Atom E3900 及车载电子的 Atom A3900 系列,号称 CPU 性能提升70%,GPU 性能提升190%,其中 Atom A3900 特别针对高温环境设计,可在110°C高温下使用15年。Intel是一家伟大的企业,但也是会犯错误的,既然已经错失移动市场,不妨暂时脱离,提前做好下一阶段的技术研发(5G),也有可能实现弯道超车。

     

     

    展开全文
  • 详述Intel系列CPU架构的发展史
  • CPU架构(x86架构、ARM架构的解释)

    千次阅读 2022-07-09 23:36:50
    以下内容源于网络资源的学习与整理,非原创,如有侵权请告知删除。另:这篇文章是很早前发布的,里面的数据与描述与当下可能... 一、x86架构二、ARM架构三、MIPS架构四、ARM与MIPS五、ARM与X86架构..................

    以下内容源于网络资源的学习与整理,非原创,如有侵权请告知删除。

    另:这篇文章是很早前发布的,里面的数据与描述与当下可能不符。仅当常识认知用。

    CPU发展至今存在着很多种架构,比如x86架构、ARM架构、MIPS架构、PowerPC架构等。它们可以分为两类:复杂指令集计算机(CISC,Complex Instruction Set Computer)和精简指令集计算机(RISC,Reduced Instruction Set Computer)。

    CISC典型的有 Intel 的 x86 架构,而 RISC 常见的有 IBM 的 PowerPC架构、MIPS 的 MIPS架构、Acorn 的 ARM 架构

    “指令集”与“CPU架构”是对应的,指令集是对CPU架构硬件的抽象(汇编语言是对指令集的一种描述),即不同架构的CPU会采用不同的指令集,比如x86指令集、MIPS架构、PowerPC指令集、ARM指令集等。同一种架构的CPU可能有几套指令集,比如ARM架构有32位的ARM指令集和16位的thumb指令集。 

    一、x86架构

    x86或80x86是英特尔研发的一种微处理器体系结构的泛称。该系列较早期的处理器名称用数字来表示,并以“86”作为结尾,包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486,因此其架构被称为“x86”。

    1978年,英特尔公司推出基于x86架构的Intel 8086中央处理器(该处理器是从Intel 8008处理器中发展而来的,而8008则从Intel 4004发展而来)。1981年,8086被IBM PC所选用,从此x86便成为了个人电脑的标准平台,成为有史以来最成功的CPU架构。

    在1985年英特尔公司推出32位的80386中央处理器之前,x86架构都维持16位元。在推出32位的80386之后,英尔特陆续推出了一系列基于x86架构的32位的中央处理器。直到2003年,AMD对x86架构发展了64位的扩充,并命名为AMD64。后来英特尔公司也推出了与之兼容的处理器,并命名为Intel 64。两者一般被统称为x86-64x64开创了x86的64位时代。

    其实英特尔公司早在1990年代就与惠普合作提出了一种用在安腾系列处理器中的独立的64位架构,这种架构被称为IA-64。IA-64是一种崭新的架构,和x86架构完全没有相似性。

    如今的PC机基本都是x86架构计算机。如果你想尝试其他架构的计算机,首先要考虑是否放弃Windows系统。不过从 Windows 8 起,微软开始支持ARM架构,也就是说,ARM架构的计算机也可以运行Windows 8以上版本的系统。 

    二、ARM架构

    ARM,是Advanced RISC Machine的缩写,早期是Acorn RISC Machine的缩写。

    ARM架构是一个32位精简指令集中央处理器架构,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。

    ARM架构包含了下述RISC特性:

    1. 读取/储存架构。
    2. 正交指令集(存取指令可以任意的寻址方式存取数据)
    3. 大量的16 × 32-bit 寄存器阵列。
    4. 固定的32 bits 操作码长度,降低编码数量所产生的耗费,减轻解码和流水线化的负担。
    5. 大多均为一个CPU周期执行。

    为了补强这种简单的设计方式,相较于同时期的处理器如Intel 80286和Motorola 68020,还多加了一些特殊设计:

    1. 大部分指令可以条件式地执行,降低在分支时产生的负重,弥补分支预测器的不足。
    2. 算数指令只会在要求时更改条件编码。
    3. 32-bit筒型位移器可用来执行大部分的算数指令和寻址计算而不会损失效能。
    4. 强大的索引寻址模式。
    5. 精简但快速的双优先级中断子系统,具有可切换的暂存器组。

    目前,ARM家族拥有32位嵌入式处理器75%的市场比例。从可携式设备(比如移动电话、多媒体播放器、计算机等),到电脑周边设备(比如硬盘、路由器等等),甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中,都有ARM处理器的存在。

    三、MIPS架构

    MIPS,是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的缩写,中文意思是“无内部互锁流水级的微处理器”。

    MIPS架构是一种采取精简指令集的处理器架构,1981年出现,由MIPS科技公司开发并授权,广泛地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。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是出现最早的商业RISC架构芯片之一。MIPS的系统结构及设计理念比较先进,强调软硬件协同提高性能,同时简化硬件设计。

    2002年,中国科学院计算所开始研发龙芯处理器,采用MIPS架构,但未经MIPS公司的授权,遭到侵权的控告。2007年,中国科学院与MIPS公司达成和解,得到正式授权。中国龙芯2和前代产品采用的都是64位MIPS指令架构。过去,MIPS架构的产品多见于工作站领域,索尼PS2游戏机所用的“Emotion Engine”也采用MIPS指令,这些MIPS处理器的性能都非常强劲,而龙芯2也属于这个阵营,在软件方面与上述产品完全兼容。

    四、ARM与MIPS

    与当前商业化最成功的ARM架构相比,MIPS的优势主要有以下几点:

    • MIPS支持64bit指令和操作,ARM目前只到32bit 。
    • MIPS有专门的除法器,可以执行除法指令 。
    • MIPS的内核寄存器比ARM多一倍,所以同样的性能下MIPS的功耗会比ARM更低,同样功耗下性能比ARM更高。
    • MIPS指令比ARM稍微多一点,稍微灵活一点。
    • 有观点认为MIPS的bank寄存器性能也要好于ARM,不过没见过能反映出来的测试。
    • 商业上二者差别也大,ARM很昂贵,而且不能随意自行更改内核,而MIPS开放许多。这也是龙芯为不采用ARM架构的原因。

    与ARM架构相比,MIPS架构也存在着以下几点不足:

    • MIPS的内存地址起始有问题,这导致了MIPS在内存和cache的支持方面都有限制,现在的MIPS处理器单内核面对高容量内存时有问题。
    • MIPS今后的发展方向是并行线程,类似Intel的超线程,而ARM未来的发展方向是物理多核,目前看来物理多核占优。由此来看,我国的龙芯向多核发展还是颇具远见的。
    • MIPS虽然结构更加简单,但是到现在还是顺序单发射,ARM已经进化到了乱序双发射甚至乱序三发射了。

    五、ARM与X86架构

    性能对比

    X86结构的电脑无论如何都比ARM结构的系统在性能方面要快得多、强得多。X86的CPU的主频随便就是1GHZ以上,双核、四核大行其道,现在通常使用22nm制程的工艺进行生产;而ARM方面,其CPU通常是几百兆,最近才出现1G左右的CPU,制程通常使用32nm或45nm制程的工艺,可以说在性能和生产工艺方面ARM根本不是X86结构系统的对手。

    但ARM的优势不在于性能强大而在于效率,ARM采用RISC流水线指令集,在完成综合性工作方面根本就处于劣势,而在一些任务相对固定的应用场合其优势就能发挥得淋漓尽致。

    扩展能力对比

    X86结构的电脑采用“桥”的方式与扩展设备(如硬盘、内存等)进行连接,而且x86结构的电脑出现了近30年,其配套扩展的设备种类多,价格也比较便宜,所以x86结构的电脑能很容易进行性能扩展,如增加内存、硬盘等。

    ARM结构的电脑是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接,所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行(一般在产品设计时已经定好其内存及数据存储的容量),所以采用ARM结构的系统,一般不考虑扩展,基本奉行“够用就好”的原则。

    操作系统的兼容性

    X86系统由微软及Intel构建的Wintel联盟一统天下,垄断了个人电脑操作系统近30年,形成巨大的用户群,也深深固化了众多用户的使用习惯,同时x86系统在硬件和软件开发方面已经形成统一的标准,几乎所有x86硬件平台都可以直接使用微软的视窗系统及现在流行的几乎所有工具软件,所以x86系统在兼容性方面具有无可比拟的优势。

    ARM系统几乎都采用Linux的操作系统,而且几乎所有的硬件系统都要单独构建自己的系统,与其他系统不能兼容,这也导致其应用软件不能方便移植,这一点一直严重制约了ARM系统的发展和应用。

    GOOGLE开发了开放式的Android系统后,统一了ARM结构电脑的操作系统,使新推出基于ARM结构的电脑系,有了统一的、开放式的、免费的操作系统,为ARM的发展提供了强大的支持和动力。

    软件开发的方便性及可使用工具的多样性

    软件配套、软件开发工具的配套及兼容等工作,X86已经到达非常成熟甚至可以说是完美的境界。所以使用X86电脑系统不仅有大量的第三方软件可供选择也有大量的软件编程工具可以 帮助您完成您所希望完成的工作。

    Arm结构的电脑系统因为硬件性能的制约、操作系统的精简、以及系统兼容等问题的制约,造成Arm结构的电脑系统不可能像X86电脑系统那样有众多的编程工具和第三方软件可供选择及使用,ARM的编程语言大多采用C和JAVA或C++。

    因此,基于x86结构电脑系统平台开发软件比arm结构系统更容易、更简单、实际成本也更低,同时更容易找到第三方软件(免去自己开发的时间和成本),而且软件移植更容易。

    功耗对比

    X86电脑因考虑要适应各种应用的需求,其发展思路是:性能+速度。20多年来x86电脑的速度从原来8088的几M发展到现在随便就是几G,而且还是几核,其速度和性能已经提升了千、万倍,技术进步使x86电脑成为大众生活中不可缺少的一部分。但是x86电脑发展的方向和模式,使其功耗一直居高不下,一台电脑随便就是几百瓦,即使是号称低功耗节能的手提电脑或上网本,也有十几、二十多瓦的功耗,这与ARM结构的电脑就无法相比。

    ARM的设计及发展思路是:满足某个特殊方面的应用即可,在某一专项领域是最强的,(哪怕在其他方面一无是处),这样Arm以其不是最强的技术,同样也不是很高级制程的制造工艺,生产出性能不是很强的电脑系统,但在某个专业应用方面则是最好的,特别是在众多终端应用,尤其在移动终端应用上占有绝对优势的统治地位,这个原因就是:功耗。

    高功耗导致了一系列X86系统无法解决的问题出现:系统的续航能力弱、体积无法缩小、稳定性差、对使用环境要求高等问题。从这里我们可以看到x86系统与ARM系统是在两个完全不同领域方面的应用,它们之间根本不存在替换性,在服务器、工作站以及其他高性能运算等应用方面,是可以不考虑功耗和使用环境等条件时,X86系统占了优绝对优势。但受功耗、环境等条件制约且工作任务固定的情况下ARM就占有很大的优势,在手持式移动终端领域,X86的功耗更使它英雄毫无用武之地。

    从以上对比分析,给了我们的一个很清晰的感觉,ARM和X86结构的电脑根本就无法对比,ARM根本就不是X86电脑的的对手。如果只考虑上述几个方面的要数,ARM确实无法与X86电脑竞争,甚至连比较的资格都没有。但是近1、2年,ARM的产品在终端应用特别是手持终端应用飞速发展(如:智能手机、平板电脑等),其销售数量已经远远超出x86结构的电脑销售数量,可见ARM是具有其与X86结构电脑不可对比的优势。

    X86系统和ARM系统应该是两个完全不同领域的应用,如果功能单一又受到环境制约的应用,如:POS、ATM、多媒体广告机(现已经有ARM+DSP的产品)、车载电脑终端等应用,应该首先考虑ARM方案,ARM方案与X86相比,其功耗和成本占有很大优势。

    现在ARM很强大,但它距离X86还是非常遥远,毕竟它们设计的出发点不一样, X86无法做到ARM的功耗,而ARM也无法做到X86的性能。不过这也不意味着ARM以后就只能占据低端,毕竟任何架构都有其优点,一旦有应用针对其进行优化,那么就可以扬长避短。X86的繁荣也正是因为整个世界的资源都针对它进行了优化所致。只要能为ARM找到合适的应用与适合的领域,未来ARM也未必不可以进入更高的层次。

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  • CPU架构浅析

    2015-06-20 21:48:32
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  • cpu架构之体系架构

    千次阅读 2021-01-15 14:47:20
    cpu架构之体系架构 1 现代CPU体系结构简介 现代的CPU基本上归为冯诺依曼结构(也称普林斯顿结构)和哈佛结构。 1.1 冯诺依曼结构 冯诺依曼结构(von Neumann architecture),也称普林斯顿结构,是一种将程序指令...

    cpu架构之体系架构

    1 现代CPU体系结构简介

    现代的CPU基本上归为冯诺依曼结构(也称普林斯顿结构)和哈佛结构

    1.1 冯诺依曼结构

    在这里插入图片描述在这里插入图片描述

    冯诺依曼结构(von Neumann architecture),也称普林斯顿结构,是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的电脑设计概念结构。
    本结构隐约指导了将储存装置与中央处理器分开的概念,因此依本结构设计出的计算机又称储存程式型电脑。其中ARM7系列采用冯诺依曼体系架构。
    冯.诺曼结构处理器具有以下几个特点:

    • 必须有一个存储器;
    • 必须有一个控制器;
    • 必须有一个运算器,用于完成算术运算和逻辑运算;
    • 必须有输入和输出设备,用于进行人机通信。

    1.2 哈佛结构

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    哈佛结构(Harvard architecture)是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容,解码后得到数据地址,再到相应的数据储存器中读取数据,并进行下一步的操作(通常是执行)。程序指令储存和数据储存分开,数据和指令的储存可以同时进行,可以使指令和数据有不同的数据宽度。
    与冯诺曼结构处理器比较,哈佛结构处理器有两个明显的特点:
    1) 使用两个独立的存储器模块,分别存储指令和数据,每个存储模块都不允许指令和数据并存;
    2) 使用独立的两条总线,分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径,而这两条总线之间毫无关联。
    改进的哈佛结构,其结构特点为:
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    1) 使用两个独立的存储器模块,分别存储指令和数据,每个存储模块都不允许指令和数据并存,以便实现并行处理;
    2) 具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线,利用公用地址总线访问两个存储模块(程序存储模块和数据存储模块),公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输;

    2 现代CPU种类

    截止2020年8月,市面上主流的cpu架构有ARM、X86/Atom、MIPS、Risc-V、PowerPC等。
    1)ARM/MIPS/PowerPC/ Risc-V均是基于精简指令集(RISC,Reduced Instruction Set Computing)机器处理器的架构;
    2)X86则是基于复杂指令集(CISC,Complex Instruction Set Computer)的架构,Atom是x86或者是x86指令集的精简版。

    2.1 ARM系列

    ARM架构,过去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处理器非常适用于移动通讯领域,符合其主要设计目标为低耗电的特性。
    在今日,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,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。
    优势:价格低;能耗低;
    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。
    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)。

    2.2 X86系列/Atom处理器

    x86或80x86是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。
    x86架构是重要地可变指令长度的CISC(复杂指令集电脑,Complex Instruction Set Computer)。
    Intel Atom(中文:凌动,开发代号:Silverthorne)是Intel的一个超低电压处理器系列。处理器采用45纳米工艺制造,集成4700万个晶体管。L2缓存为512KB,支持SSE3指令集,和VT虚拟化技术(部份型号)。与一般的桌面处理器不同,Atom处理器采用顺序执行设计,这样做可以减少电晶体的数量。为了弥补性能较差的问题,Atom处理器的起跳频率会较高。

    2.3 MIPS系列

    MIPS(Microprocessor without interlocked piped stages,“无内部互锁流水级的微处理器”),是世界上很流行的一种精简指令集RISC处理器,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。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。

    2.4 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IBM PowerPC 601 微处理器POWER(Performance Optimized 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。

    2.5 DSP架构

    互补型的实时性(Real Time)较好的DSP架构
    DSP是微处理器的一种,这种微处理器具有极高的处理速度。因为应用这类处理器的场合要求具有很高的实时性(Real Time)。比如通过移动电话进行通话,如果处理速度不快就只能等待对方停止说话,这一方才能通话。如果双方同时通话,因为数字信号处理速度不够,就只能关闭信号连接.在DSP出现之前数字信号处理只能依靠MPU(微处理器)来完成。但MPU较低的处理速度无法满足高速实时的要求。因此,直到70年代,有人才提出了DSP的理论和算法基础。那时的DSP仅仅停留在教科书上,即便是研制出来的DSP系统也是由分立元件组成的,其应用领域仅局限於军事、航空航天部门。90年代DSP发展最快,相继出现了第四代和第五代DSP器件。现在的DSP属於第五代产品,它与第四代相比,系统集成度更高,将DSP芯核及外围元件综合集成在单一芯片上。这种集成度极高的DSP芯片不仅在通信、计算机领域大显身手,而且逐渐渗透到人们日常消费领域。

    2.6 Riscv系列

    RISC-V(读作“RISC-FIVE”)是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA),V表示为第五代RISC(精简指令集计算机),表示此前已经四代RISC处理器原型芯片。每一代RISC处理器都是在同一人带领下完成,那就是加州大学伯克利分校的David A. Patterson教授。与大多数ISA相反,RISC-V ISA可以免费地用于所有希望的设备中,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。图1展示了此前的四代RISC处理器原型芯片。它虽然不是第一个开源的的指令集(ISA),但它很重要,因为它第一个被设计成可以根据具体场景可以选择适合的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。
    1) 完全开源
    对指令集使用,RISC-V基金会不收取高额的授权费。开源采用宽松的BSD协议,企业完全自由免费使用,同时也容许企业添加自有指令集拓展而不必开放共享以实现差异化发展。
    2) 架构简单
    RISC-V架构秉承简单的设计哲学。体现为:
    在处理器领域,主流的架构为x86与ARM架构。x86与ARM架构的发展的过程也伴随了现代处理器架构技术的不断发展成熟,但作为商用的架构,为了能够保持架构的向后兼容性,其不得不保留许多过时的定义,导致其指令数目多,指令冗余严重,文档数量庞大,所以要在这些架构上开发新的操作系统或者直接开发应用门槛很高。而RISC-V架构则能完全抛弃包袱,借助计算机体系结构经过多年的发展已经成为比较成熟的技术的优势,从轻上路。RISC-V基础指令集则只有40多条,加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。 RISC-V的规范文档仅有145页,而“特权架构文档”的篇幅也仅为91页。
    3) 易于移植*nix
    现代操作系统都做了特权级指令和用户级指令的分离,特权指令只能操作系统调用,而用户级指令才能在用户模式调用,保障操作系统的稳定。RISC-V提供了特权级指令和用户级指令,同时提供了详细的RISC-V特权级指令规范和RISC-V用户级指令规范的详细信息,使开发者能非常方便的移植linux和unix系统到RISC-V平台。
    4) 模块化设计
    RISC-V架构不仅短小精悍,而且其不同的部分还能以模块化的方式组织在一起,从而试图通过一套统一的架构满足各种不同的应用场景。用户能够灵活选择不同的模块组合,来实现自己定制化设备的需要,比如针对于小面积低功耗嵌入式场景,用户可以选择RV32IC组合的指令集,仅使用Machine Mode(机器模式);而高性能应用操作系统场景则可以选择譬如RV32IMFDC的指令集,使用Machine Mode(机器模式)与User Mode(用户模式)两种模式。
    5) 完整的工具链
    对于设计CPU来说,工具链是软件开发人员和cpu交互的窗口,没有工具链,对软件开发人员开发软件要求很高,甚至软件开发者无法让cpu工作起来。在cpu设计中,工具链的开发是一个需要巨大工作量的工作。如果用RISC-V来设计芯片,芯片设计公司不再担心工具链问题,只需专注于芯片设计,RISC-V社区已经提供了完整的工具链,并且RISC-V基金会持续维护该工具链。当前RISC-V的支持已经合并到主要的工具中,比如编译工具链gcc, 仿真工具qemu等

    3 ARM发展史

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    3.1 ARMv1版架构

    该版架构只在原型机ARM1出现过,只有26位的寻址空间,没有用于商业产品。
    其基本性能有:

    • 基本的数据处理指令(无乘法);
    • 基于字节、半字和字的Load/Store指令;
    • 转移指令,包括子程序调用及链接指令;
    • 供操作系统使用的软件中断指令SWI;
    • 寻址空间:64MB(226)。

    3.2 ARMv2版架构

    该版架构对V1版进行了扩展,例如ARM2和ARM3(V2a)架构。包含了对32位乘法指令和协处理器指令的支持。 版本2a是版本2的变种,ARM3芯片采用了版本2a,是第一片采用片上Cache的ARM处理器。同样为26位寻址空间,现在已经废弃不再使用。
    V2版架构与版本V1相比,增加了以下功能:

    • 乘法和乘加指令;
    • 支持协处理器操作指令;
    • 快速中断模式;
    • SWP/SWPB的最基本存储器与寄存器交换指令;
    • 寻址空间:64MB。

    3.3 ARMv3版架构

    ARM作为独立的公司,在1990年设计的第一个微处理器采用的是版本3的ARM6。它作为IP核、独立的处理器、具有片上高速缓存、MMU和写缓冲的集成CPU。 变种版本有3G和3M。版本3G是不与版本2a向前兼容的版本3,版本3M引入了有符号和无符号数乘法和乘加指令,这些指令产生全部64位结果。
    V3版架构( 目前已废弃 )对ARM体系结构作了较大的改动:

    • 寻址空间增至32位(4GB);
    • 当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到当前程序状态寄存器CPSR中(Current Program Status Register);
    • 增加了程序状态保存寄存器SPSR(Saved Program Status Register);
    • 增加了两种异常模式,使操作系统代码可方便地使用数据访问中止异常、指令预- - 取中止异常和未定义指令异常。;
    • 增加了MRS/MSR指令,以访问新增的CPSR/SPSR寄存器;
    • 增加了从异常处理返回的指令功能。

    3.4 ARMv4版架构

    V4版架构在V3版上作了进一步扩充,V4版架构是目前应用最广的ARM体系结构,ARM7、ARM8、ARM9和StrongARM都采用该架构。 V4不再强制要求与26位地址空间兼容,而且还明确了哪些指令会引起未定义指令异常。

    指令集中增加了以下功能:

    • 符号化和非符号化半字及符号化字节的存/取指令;
    • 增加了T变种,处理器可工作在Thumb状态,增加了16位Thumb指令集;
    • 完善了软件中断SWI指令的功能;
    • 处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作;
    • 把一些未使用的指令空间捕获为未定义指令。

    3.5 ARMv5版架构

    V5版架构是在V4版基础上增加了一些新的指令,ARM10和Xscale都采用该版架构。
    这些新增命令有:

    • 带有链接和交换的转移BLX指令;
    • 计数前导零CLZ指令; BRK中断指令;
    • 增加了数字信号处理指令(V5TE版);
    • 为协处理器增加更多可选择的指令;
    • 改进了ARM/Thumb状态之间的切换效率;
    • E—增强型DSP指令集,包括全部算法操作和16位乘法操作;
    • J----支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能。

    3.6 ARMv6版架构

    V6版架构是2001年发布的,首先在2002年春季发布的ARM11处理器中使用。在降低耗电量地同时,还强化了图形处理性能。通过追加有效进行多媒体处理的SIMD(Single Instruction, Multiple Data,单指令多数据 )功能,将语音及图像的处理功能提高到了原型机的4倍。
    此架构在V5版基础上增加了以下功能:

    • ThumbTM:35%代码压缩;
    • DSP扩充:高性能定点DSP功能;
    • JazelleTM:Java性能优化,可提高8倍;
    • Media扩充:音/视频性能优化,可提高4倍。

    3.7 ARMv7版架构

    V7架构是在ARMv6架构的基础上诞生的。该架构采用了Thumb-2技术,它是在ARM的Thumb代码压缩技术的基础上发展起来的, 并且保持了对现存ARM解决方案的完整的代码兼容性。Thumb-2技术比纯32位代码少使用31%的内存,减小了系统开销。同时能够提供比已有的基于Thumb技术的解决方案高出38%的性能。
    ARMv7架构还采用了NEON技术,将DSP和媒体处理能力提高了近4倍,并支持改良的浮点运算,满足下一代3D图形、游戏物理应用以及传统嵌入式控制应用的需求。此外,ARMv7还支持改良的运行环境,以迎合不断增加的JIT(Just In Time)和DAC(DynamicAdaptive Compilation)技术的使用。

    3.8 ARMv8版架构

    v8架构是在32位ARM架构上进行开发的,将被首先用于对扩展虚拟地址和64位数据处理技术有更高要求的产品领域,如企业应用、高档消费电子产品。ARMv8架构包含两个执行状态:AArch64和AArch32。AArch64执行状态针对64位处理技术,引入了一个全新指令集A64;而AArch32执行状态将支持现有的ARM指令集。目前的ARMv7架构的主要特性都将在ARMv8架构中得以保留或进一步拓展,如:TrustZone技术、虚拟化技术及NEON advanced SIMD技术等。

    4 ARM主要处理器介绍

    4.1 ARM7处理器

    ARM7处理器采用了ARMV4T(冯·诺依曼)体系结构,这种体系结构将程序指令存储器和数据存储器合并在 一起。主要特点就是程序和数据共用一个存储空间,程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置,采用单一的地址及数据总线,程序指令和 数据的宽度相同。这样,处理器在执行指令时,必须先从存储器中取出指令进行译码,再取操作数执行运算。
    总体来说ARM7体系结构具有三级流水、空间统一的 指令与数据Cache、平均功耗为0.6mW/MHz、时钟速度为66MHz、每条指令平均执行1.9个时钟周期等特性。其中的ARM710、ARM720和ARM740为内带Cache的ARM核。
    ARM7指令集同Thumb指令集扩展组合在一起,可以减少内存容量和系统成本。同时,它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计,并用一个DSP增强扩展来改进性能。ARM7体系结构是小型、快速、低能耗、集成式的RISC内核结构。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器等,目前主流的ARM7内核是ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S、ARM720T。
    现在市场上 用得最多的ARM7处理器有Samsung公司的S3C44BOX与S3C4510处理器、Atmel公司的AT91FR40162系列处理器、Cirrus公司的EP73xx系列等。通常来说前两三年大部分手机基带部分的应用处理器基本上都以ARM7为主。还有很多的通信模块,如CDMA模块、GPRS模块和GPS模块中都含有ARM7处理器。

    4.2 ARM9、ARM9E处理器

    ARM9处理器采用ARMV4T(哈佛)体系结构。这种体系结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器 结构,是一种并行体系结构。其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中,即程序存储器和数据存储器。它们是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编 址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统中的4套总线,程序的数据总线和地址总线,数据的数据总线和地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一 个机器周期内同时获取指令字和操作数,从而提高了执行速度,使数据的吞吐量提高了一倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中,因而取指和执行能完全重叠。
    ARM9采用五级流水处理及分离的Cache结构,平均功耗为0.7mW/MHz。时钟速度为120MHz~200MHz,每条指令平均执行1.5个时钟周期。与ARM7处理器系列相似,其中的ARM920、ARM940和ARM9E处理器均为含有Cache的CPU核,性能为132MIPS(120MHz时钟,3.3V供电)或220MIPS(200MHz时钟)。
    ARM9处理器同时也配备Thumb指令扩展、调试和Harvard总线。在生产工艺相同的情况下,性能是ARM7TDMI处理器的两倍之多。常用于无线设备、仪器仪表、联网设备、机顶盒设备、高端打印机及 数码相机应用中。

    ARM9E内核是在ARM9内核的基础上增加了紧密耦合存储器TCM及DSP部分。目前主流的ARM9内核是ARM920T、ARM922T、ARM940。相关的处理器芯片有Samsung公司的S3C2510、Cirrus公司的EP93xx系列等。主流的ARM9E内核是ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S等。目前市场上常见的PDA,比如说PocketPC中一般都是用ARM9处理器,其中以Samsung公司的S3C2410处理器居多。

    4.3 ARM10E处理器

    ARM10E处理器采用ARMVST体系结构,可以分为六级流水处理,采用指令与数据分离的Cache结构, 平均功耗1000mW,时钟速度为300MHz,每条指令平均执行1.2个时钟周期。ARM10TDMI与所有ARM核在二进制级代码中兼容,内带高速32×16 MAC,预留DSP协处理器接口。其中的VFP10(向量浮点单元)为七级流水结构。其中的ARM1020T处理器则是由ARMl0TDMI、32KB指 令、数据Caches及MMU部分构成的。其系统时钟高达300MHz时钟,指令Cache和数据Cache分别为32KB,数据宽度为64位,能够支持 多种商用操作系统,适用于下一代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用。主流的ARM10内核是ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S等。

    4.4 SecurCore处理器

    SecurCore系列处理器提供了基于高性能的32位RISC技术的安全解决方案,该系列处理器具有体积 小、功耗低、代码密度大和性能高等特点。另外最为特别的就是该系列处理器提供了安全解决方案的支持。采用软内核技术,以提供最大限度的灵活性,以及防止外 部对其进行扫描探测,提供面向智能卡的和低成本的存储保护单元MPU,可以灵活地集成用户自己的安全特性和其他的协处理器,目前含有SC100、SC110、SC200、SC210 4种产品。

    4.5 StrongARM处理器

    StrongARM处理器采用ARMV4T的五级流水体系结构。目前有SA110、SA1100、SA1110等3个版本。另外Intel公司的基于ARMv5TE体系结构的XScale PXA27x系列处理器,与StrongARM相比增加了I/D Cache,并且加入了部分DSP功能,更适合于移动多媒体应用。目前市场上的大部分智能手机的核心处理器就是XScale系列处理器。

    4.6 ARM11处理器

    ARM11系列微处理器是ARM公司近年推出的新一代RISC处理器,它是ARM新指令架构——ARMv6的第一代设计实现。该系列主要有ARM1136J,ARM1156T2和ARM1176JZ三个内核型号,分别针对不同应用领域。
    ARM11处理器系列可以在使用130nm代工厂技术、小至2.2mm2芯片面积和低 至0.24mW/MHz的前提下达到高达500MHz的性能表现。ARM11处理器系列以众多消费产品市场为目标,推出了许多新的技术,包括针对媒体处理 的SIMD,用以提高安全性能的TrustZone技术,智能能源管理(IEM),以及需要非常高的、可升级的超过2600 Dhrystone 2.1 MIPS性能的系统多处理技术。主要的ARM11处理器有ARM1136JF-S、ARM1156T2F-S、ARM1176JZF-S、ARM11 MCORE等多种。

    4.7 Cortex系列处理器

    ARM Cortex-M系列支持Thumb-2指令集(Thumb指令集的扩展集),可以执行所有已存的为早期处理器编写的代码。通过一个前向的转换方式, 为ARM Cortex-M系列处理器所写的用户代码可以与ARM Cortex-R系列微处理器完全兼容。
    ARMCortex-M系列系统代码(如实时操作系统)可以很容易地移植到基于ARM Cortex-R系列的系统上。ARMCortex-A和Cortex-R系列处理器还支持ARM 32位指令集,向后完全兼容早期的ARM处理器,包括从1995年发布的ARM7TDMI处理器到2002年发布的ARMll处理器系列。

    5 RISCV处理器介绍

    待补充。

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