X86架构与ARM架构

x86架构与ARM架构处理器2010年07月18日星期日23:16英文缩写：ISA指令集架构，InstructionSetArchitectureCISC复杂指令集计算机，ComplexInstructionSetComputerRISC精简指令集计算机，ReducedInstructionSetComputerEPIC显性并行指令计算，ExplicitlyParallelInstructionComputingMMX多媒体扩展指令集，MultiMediaExtendedSSE单指令多数据流扩展，Streaming-Singleinstructionmultipledata-ExtensionsCPU的机器语言与指令集CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列通过其硬件电路实现的指令系统，即机器语言。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种，主要有指令位数多少、指令位数是否可变、指令顺序执行和并行执行、包含指令条数等等区别。基于复杂指令集实现的计算机即CISC复杂指令集计算机，基于精简指令集的计算机即RISC精简指令集计算机。Intel第一块16位的i8086CPU使用的指令集称x86指令集，同时电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的x87芯片系列数学协处理器则另外使用x87指令集，后来将x86指令集和x87指令集统称为x86指令集。x86指令集是CISC复杂指令集的代表。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使处理器的研制时间长，成本高。并且复杂指令需要复杂的操作，必然会降低计算机的速度。后来经过研究发现，在计算机中，80％程序只用到了20％的指令集，基于这一发现，RISC精简指令集被提了出来，这是计算机系统架构的一次深刻革命。RISC架构的基本思路是：抓住CISC指令系统指令种类太多、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，方便处理器内部的并行处理，提高VLSI器件的使用效率，从而大幅度地提高处理器的性能。目前高端服务器产品大多是RISC架构的。而基于CISC复杂指令集的计算机在增加指令条数增加硬件结构复杂性的道路上越走越远，许多厂家为了提升某一方面性能，开发了多种扩展指令集，扩展指令集定义了新的数据和指令，能够大大提高某方面数据处理能力，但必须软件编程时加入支持调用这些扩展指令集才能发挥该硬件的性能。如Intel公司的MMX多媒体扩展指令集、SSE、SSE2、SSE3、SSSE3、SSE4.1、SSE4.2等单指令多数据流扩展指令集和AMD公司的3DNow!、Enhanced3DNow!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。另有Intel公司开发EM64T扩展指令集。SSE指令与3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow!技术的绝大部分功能，只是实现的方法不同。现在我们表述中提到指令集往往只指这些扩展指令集。目前个人级电脑产品大多是CISC架构的。补：EM64T扩展指令集EM64T全称ExtendedMemory64Technology即64位内存扩展技术。Intel公司开发EM64T扩展指令集是为了让现有的x86指令集能够执行64位代码，让系统支持更大容量的内存，且继续保持对32位代码的良好兼容。x86架构与ARM架构处理器x86架构处理器是采用CISC复杂指令集架构的处理器的代表。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。市面上大多数的个人级电脑所用的CPU都是x86架构处理器。如Intel公司除IA-64架构的安腾处理器外的处理器系列，包括最新的ATOM处理器、AMD的全系列，还有VIA的全系列处理器产品都是x86架构。32位x86架构又称x86-32架构或IA-32架构，62位x86又称x86-64架构或IA-32e架构。因为市面上的64位处理器并不是真正意义上的64位，仍旧基于32位的x86指令集，只是加入了EM64T扩展指令集以兼容64位指令，是对IA-32架构的扩展，故称IA-32e架构处理器。Intel公司真正意义上的64位处理器，即有EPIC显性并行指令计算能力的IA-64架构处理器，是瞄准高端企业级64-bit计算环境中竞争的Itanium安腾系列处理器，对抗基于IBMPower4/5，HPPA-RISC，SunUltraSparc-III及DECAlpha的服务器。全新的IA-64指令集不兼容x86指令集，需要有个转化的过程才能执行x86指令。ARM架构处理器是Acorn公司于1983年开始的发展计划，过去称作AcornRISCMachine或AdvancedRISCMachine进阶精简指令集机器，代表了手持电脑或数码产品所用的RISC精简指令集架构的处理器，其广泛地使用在许多embedded嵌入式系统设计。目前ARM架构处理器最高制作工艺是65纳米，尽管英特尔Atom处理器使用了更先进的45纳米制作工艺，但其单位能耗运算能力不如ARM架构的处理器，换言之，使用英特尔处理器将降低移动设备的电池续航时间。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。补：芯片制作工艺微电子技术的发展与进步，主要是靠工艺技术的不断改进，使得器件的特征尺寸不断缩小，从而集成度不断提高，功耗降低，器件性能得到提高。芯片制造工艺在1995年以后，从0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米、0.15微米、0.13微米、90纳米、65纳米一直发展到目前最新的45纳米，而30纳米的制造工艺将是下一代CPU的发展目标。提高处理器的制造工艺具有重大的意义，因为更先进的制造工艺会在CPU内部集成更多的晶体管，使处理器实现更多的功能和更高的性能；更先进的制造工艺会使处理器的核心面积进一步减小，也就是说在相同面积的晶圆上可以制造出更多的CPU产品，直接降低了CPU的产品成本，从而最终会降低CPU的销售价格使广大消费者得利；更先进的制造工艺还会减少处理器的功耗，从而减少其发热量，解决处理器性能提升的障碍。由于两种架构的处理器各有优势，一直以来，以x86处理器为代表的CISC型处理器和以ARM内核处理器为代表的RISC型处理器基本处于井水不犯河水的状态，双方在各自的主打领域里(个人PC和如ATM机、智能手机等等的嵌入式系统)活的悠哉游哉。不过，随着消费者一种新兴需求的出现，这种平静的状态就要改变了，这种新兴需求就是消费者对移动互联的需求，如UMPC、MID、平板电脑、上网本、3G智能手机等。以最近火热的平板电脑为例，x86架构的有Intel赛扬ULV743、IntelAtomN455、IntelAtomZ530、威盛VIAC7-M、VIAMW8505芯片为内核产品，x86架构平板电脑其优点是可以安装XP、Win7、MacOS等操作系统，有众多的x86平台的软件选用，缺点是耗电发热量相对较高使用时间短，价格也较高。ARM架构，由于Acorn公司自己并不生产芯片，而是出售芯片设计技术的授权，因此ARM架构的产品都是其合作公司开发的ARM处理器加DSP专用图像处理芯片组合的双核芯片，如使用ARMCoretex-A8处理器的美国NVIDIA公司的Tegra2芯片和飞思卡尔公司的iMX515芯片和德州仪器的TIOMAP3530芯片以及韩国三星C100和C110芯片、使用ARM926EJC处理器的中国瑞芯微电子有限公司的Rockchip2808芯片、使用ARM1176JZF-S处理器的韩国Telechips公司的TCC8901和TCC8902芯片。ARM架构平板电脑可以安装WinCE、Andorid、Ubuntu等操作系统，其优点是价格低发热量低待机时间长，集成的DSP芯片支持1080P高清解码，支持包括RMVB在内的众多视频格式，其缺点是性能较低，能够用的软件较少，不过基本的网页浏览、视频播放、Flash播放和执行、文档编辑、PDF电子书、QQ聊天、斗地主等游戏、在线炒股等软件还是齐备的。代表品牌：NVIDIA、微软zune、微星MSI、Apad、irobot、蝶舞、台电。另有使用ARM9系列其中一款处理器的的美国威盛公司的VIA8505芯片的ARM架构平板电脑，由于未集成DSP解码芯片，不支持高清，也不支持RMVB格式的视频，发热量较高，代表品牌：E-book、EKEN