精品文檔-下載后可編輯一文讀懂中央處理器的架構(gòu)-基礎(chǔ)電子中央處理單元(CPU)主要由運算器、控制器、寄存器三部分組成，從字面意思看運算器就是起著運算的作用，控制器就是負(fù)責(zé)發(fā)出CPU每條指令所需要的信息，寄存器就是保存運算或者指令的一些臨時文件，這樣可以保證更高的速度。CPU有著處理指令、執(zhí)行操作、控制時間、處理數(shù)據(jù)四大作用，打個比喻來說，CPU就像我們的大腦，幫我們完成各種各樣的生理活動。因此如果沒有CPU，那么電腦就是一堆廢物，無法工作。移動設(shè)備其實很復(fù)雜，這些CPU需要執(zhí)行數(shù)以百萬計的指示，才能使它向我們期待的方向運行，而CPU的速度和功率效率是至關(guān)重要的。速度影響用戶體驗，而效率影響電池壽命。完美的移動設(shè)備是高性能和低功耗相結(jié)合。CPU架構(gòu)是CPU廠商給屬于同一系列的CPU產(chǎn)品定的一個規(guī)范，主要目的是為了區(qū)分不同類型CPU的重要標(biāo)示。在計算世界中，“體系結(jié)構(gòu)”一詞被用來描述一個抽象的機器,而不是一個具體的機器實現(xiàn)。一般而言，一個CPU的體系結(jié)構(gòu)有一個指令集加上一些寄存器而組成。從CPU發(fā)明到現(xiàn)在，有非常多種架構(gòu)，從我們熟悉的X86、ARM，到不太熟悉的MIPS、IA64，它們之間的差距都非常大。但是如果從基本的邏輯角度來分類的話，它們可以被分為兩大類，即所謂的“復(fù)雜指令集”與“精簡指令集”系統(tǒng)，也就是經(jīng)常看到的“CISC”與“RISC”。“指令集”與“體系結(jié)構(gòu)”這兩個術(shù)語是同義詞。x86、ARM、MIPS算是是目前常見也相對的處理器架構(gòu)。·x86架構(gòu)x86或80x86是英特爾首先開發(fā)制造的一種微處理器體系結(jié)構(gòu)的泛稱。該系列較早期的處理器名稱是以數(shù)字來表示，并以“86”作為結(jié)尾，包括Intel8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架構(gòu)被稱為“x86”。x86架構(gòu)于1978年推出的Intel8086中央處理器中首度出現(xiàn)，它是從Intel8008處理器中發(fā)展而來的，而8008則是發(fā)展自Intel4004的。8086在三年后為IBMPC所選用，之后x86便成為了個人電腦的標(biāo)準(zhǔn)平臺，成為了歷來成功的CPU架構(gòu)。8086是16位元處理器;直到1985年32位元的80386的開發(fā)，這個架構(gòu)都維持是16位元。接著一系列的處理器表示了32位元架構(gòu)的細(xì)微改進(jìn)，推出了數(shù)種的擴充，直到2022年AMD對于這個架構(gòu)發(fā)展了64位元的擴充，并命名為AMD64。后來Intel也推出了與之兼容的處理器，并命名為Intel64。兩者一般被統(tǒng)稱為x86-64或x64，開創(chuàng)了x86的64位時代。

MIPS架構(gòu)(英語：MIPSarchitecture，為“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages的縮寫，也是MillionsofInstructionsPerSecond的相關(guān)語)，是一種采取精簡指令集(RISC)的處理器架構(gòu)，1981年出現(xiàn)，由MIPS科技公司開發(fā)并授權(quán)，廣泛被使用在許多電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、個人娛樂裝置與商業(yè)裝置上。其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。它早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來的。MIPS公司的R系列就是在此基礎(chǔ)上開發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計算機公司采用構(gòu)成各種工作站和計算機系統(tǒng)。MIPS是出現(xiàn)早的商業(yè)RISC架構(gòu)芯片之一。MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計理念比較先進(jìn)，強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設(shè)計。2022年，中國科學(xué)院計算所開始研發(fā)龍芯處理器，采用MIPS架構(gòu)，但未經(jīng)MIPS公司的授權(quán)，遭到侵權(quán)的控告。2022年，中國科學(xué)院與MIPS公司達(dá)成和解，得到正式授權(quán)。中國龍芯2和前代產(chǎn)品采用的都是64位MIPS指令架構(gòu)。過去，MIPS架構(gòu)的產(chǎn)品多見于工作站領(lǐng)域，索尼PS2游戲機所用的“EmotionEngine”也采用MIPS指令，這些MIPS處理器的性能都非常強勁，而龍芯2也屬于這個陣營，在軟件方面與上述產(chǎn)品完全兼容。ARM與MIPS與當(dāng)前商業(yè)化成功的ARM架構(gòu)相比，MIPS的優(yōu)勢主要有以下幾點：1、MIPS支持64bit指令和操作，ARM目前只到32bit。2、MIPS有專門的除法器，可以執(zhí)行除法指令。3、MIPS的內(nèi)核寄存器比ARM多一倍，所以同樣的性能下MIPS的功耗會比ARM更低，同樣功耗下性能比ARM更高。4、MIPS指令比ARM稍微多一點，稍微靈活一點。5、有觀點認(rèn)為MIPS的bank寄存器性能也要好于ARM，不過沒見過能反映出來的測試。以上為MIPS對比ARM架構(gòu)的優(yōu)勢，接下來我們再看一看MIPS架構(gòu)的不足之處，與ARM架構(gòu)相比，MIPS架構(gòu)也存在著以下幾點不足：1、MIPS的內(nèi)存地址起始有問題，這導(dǎo)致了MIPS在內(nèi)存和cache的支持方面都有限制，現(xiàn)在的MIPS處理器單內(nèi)核面對高容量內(nèi)存時有問題。2、MIPS今后的發(fā)展方向是并行線程，類似INTEL的超線程，而ARM未來的發(fā)展方向是物理多核，目前看來物理多核占優(yōu)。由此來看，我國的龍芯向多核發(fā)展還是頗具遠(yuǎn)見的。3、MIPS雖然結(jié)構(gòu)更加簡單，但是到現(xiàn)在還是順序單發(fā)射，ARM已經(jīng)進(jìn)化到了亂序雙發(fā)射，甚至NV的丹佛已經(jīng)是亂序三發(fā)射了。商業(yè)上二者差別也大，ARM很昂貴，而且不能隨意自行更改內(nèi)核。而MIPS就要開放的多了。(這也算龍芯為什么不采用ARM架構(gòu)的原因了。)ARM與X86架構(gòu)性能對比

X86結(jié)構(gòu)的電腦無論如何都比ARM結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)在性能方面要快得多、強得多。X86的CPU的主頻隨便就是1GHZ以上、雙核、四核大行其道，現(xiàn)在通常使用22nm制程的工藝進(jìn)行生產(chǎn);而ARM方面：CPU通常是幾百兆，近才出現(xiàn)1G左右的CPU，制程通常使用32nm或45nm制程的工藝，可以說在性能和生產(chǎn)工藝方面ARM根本不是X86結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的對手。但ARM的優(yōu)勢不在于性能強大而在于效率，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，而在一些任務(wù)相對固定的應(yīng)用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。擴展能力對比X86結(jié)構(gòu)的電腦采用“橋”的方式與擴展設(shè)備(如：硬盤、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，其配套擴展的設(shè)備種類多、價格也比較便宜，所以x86結(jié)構(gòu)的電腦能很容易進(jìn)行性能擴展，如增加內(nèi)存、硬盤等。ARM結(jié)構(gòu)的電腦是通過專用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存儲設(shè)備進(jìn)行連接，所以ARM的存儲、內(nèi)存等性能擴展難以進(jìn)行(一般在產(chǎn)品設(shè)計時已經(jīng)定好其內(nèi)存及數(shù)據(jù)存儲的容量)，所以采用ARM結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，一般不考慮擴展。基本奉行“夠用就好”的原則。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，壟斷了個人電腦操作系統(tǒng)近30年，形成巨大的用戶群，也深深固化了眾多用戶的使用習(xí)慣，同時x86系統(tǒng)在硬件和軟件開發(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可比擬的優(yōu)勢。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)都要單獨構(gòu)建自己的系統(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，這一點一直嚴(yán)重制約了ARM系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。GOOGLE開發(fā)了開放式的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，有了統(tǒng)一的、開放式的、的操作系統(tǒng)，為ARM的發(fā)展提供了強大的支持和動力。軟件開發(fā)的方便性及可使用工具的多樣性軟件配套、軟件開發(fā)工具的配套及兼容等工作，X86已經(jīng)到達(dá)非常成熟甚至可以說是完美的境界。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望完成的工作。Arm結(jié)構(gòu)的電腦系統(tǒng)因為硬件性能的制約、操作系統(tǒng)的精簡、以及系統(tǒng)兼容等問題的制約，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的編程語言大多采用C和JAVA或C++。因此，基于x86結(jié)構(gòu)電腦系統(tǒng)平臺開發(fā)軟件比arm結(jié)構(gòu)系統(tǒng)更容易、更簡單、實際成本也更低，同時更容易找到第三方軟件(免去自己開發(fā)的時間和成本)，而且軟件移植更容易。功耗對比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x86電腦的速度從原來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，一臺電腦隨便就是幾百瓦，即使是號稱低功耗節(jié)能的手提電腦或上網(wǎng)本，也有十幾、二十多瓦的功耗，這與ARM結(jié)構(gòu)的電腦就無法相比。ARM的設(shè)計及發(fā)展思路是：滿足某個特殊方面的應(yīng)用即可，在某一專項領(lǐng)域是強的，(哪怕在其他方面一無是處)，這樣Arm以其不是強的技術(shù)，同樣也不是很制程的制造工藝，生產(chǎn)出性能不是很強的電腦系統(tǒng)，但在某個應(yīng)用方面則是的，特別是在眾多終端應(yīng)用，尤其在移動終端應(yīng)用上占有優(yōu)勢的統(tǒng)治地位，這個原因就是：耗耗。高功耗導(dǎo)致了一系列X86系統(tǒng)無法解決的問題出現(xiàn)：系統(tǒng)的續(xù)航能力弱、體積無法縮小、穩(wěn)定性差、對使用環(huán)境要求高等問題。從這里我們可以看到x86系統(tǒng)與ARM系統(tǒng)是在兩個完全不同領(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、工作站以及其他高性能運算等應(yīng)用方面，是可以不考慮功耗和使用環(huán)境等條件時，X86系統(tǒng)占了優(yōu)優(yōu)勢;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，在手持式移動終端領(lǐng)域，X86的功耗更使他英雄毫無用武之地。從以上對比分析，給了我們的一個很清晰的感覺，ARM和X86結(jié)構(gòu)的電腦根本就無法對比，ARM根本就不是X86電腦的的對手。如果只考慮上述幾個方面的要數(shù)，ARM確實無法與X86電腦競爭，甚至連比較的資格都沒有。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、平板電腦等)，其銷售數(shù)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出x86結(jié)構(gòu)的電腦銷售數(shù)量，可見ARM是具有其與X86結(jié)構(gòu)電腦不可對比的優(yōu)勢。X86系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)應(yīng)該是兩個完全不同領(lǐng)域的應(yīng)用，如果功能單一又受到環(huán)境制約的應(yīng)用，如：POS、ATM、多媒體廣告機(現(xiàn)已經(jīng)有ARM+DSP的產(chǎn)品)、車載電腦終端等應(yīng)用，應(yīng)該首先