X86 架構和 ARM 架構

X86是一個intel通用計算機系列的標準編號縮寫,也標識一套通用的計算機指令集合,X86是由Intel推出的一種復雜指令集，用于控制芯片的運行的程序，現(xiàn)在X86已經(jīng)廣泛運用到了家用PC領域。x86是一個intel通用計算機系列的標準編號縮寫,也標識一套通用的計算機指令集合,X與處理器沒有任何關系，它是一個對所有*86系統(tǒng)的簡單的通配符定義，例如：i386, 586,奔騰(pentium)。由于早期intel的CPU編號都是如8086,80286來編號,由于這整個系列的CPU都是指令兼容的,所以都用X86來標識所使用的指令集合如今的奔騰,P2,P4,賽揚系列都是支持X86指令系統(tǒng)的,所以都屬于X86家族。X86的不足在什么地方？

（1）可變的指令長度 X86指令的長度是不定的，而且有幾種不同的格式，結果造成X86 CPU的解碼工作非常復雜，為了提高CPU的工作頻率，不得不延長CPU中的流水線，而過長的流水線在分支預測出錯的情況下，又會帶來CPU工作停滯時間較長的弊端。
（2）寄存器的貧乏 X86指令集架構只有8個通用寄存器，而且實際只能使用6個。這種情況同現(xiàn)代的超標量CPU極不適應，雖然工程師們采用寄存器重命名的技術來彌補這個缺陷，但造成了CPU過于復雜，流水線過長的局面。
（3）內(nèi)存訪問 X86指令可訪問內(nèi)存地址，而現(xiàn)代RISC CPU則使用LOAD/STORE模式，只有LOAD和STORE指令才能從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到寄存器，所有其他指令只對寄存器中的操作數(shù)計算。在目前CPU的速度是內(nèi)存速度的5倍或5倍以上的情況下，后一種工作模式才是正途。 （4）浮點堆棧 X87 FPU是目前最慢的FPU，主要的原因之一就在于X87指令使用一個操作數(shù)堆棧。如果沒有足夠多的寄存器進行計算，你就不得不使用堆棧來存放數(shù)據(jù)，這會浪費大量的時間來使用FXCH指令（即把正確的數(shù)據(jù)放到堆棧的頂部）。
（5）4GB限制 這似乎不是問題，但是，在6年前，主流PC只有4MB內(nèi)存，而目前的絕大部分PC裝備了64MB以上的內(nèi)存，是以前的16倍，所以，在下一個十年，PC內(nèi)存突破1GB絕對不會令人驚訝，而且目前的大型服務器已經(jīng)使用了1GB以上的內(nèi)存，突破4GB內(nèi)存的情況很快就會出現(xiàn)。
（6）芯片變大 所有用于提高X86 CPU性能的方法，如寄存器重命名、巨大的緩沖器、亂序執(zhí)行、分支預測、X86指令轉(zhuǎn)化等等，都使CPU的芯片面積變得更大，也限制了工作頻率的進一步提高，而額外集成的這些晶體管都只是為了解決X86指令的問題。

GOOGLE的Android系統(tǒng)和蘋果的IPAD、IPHONE推出后，ARM架構的電腦系統(tǒng)（特別是在終端方面應用）受到用戶的廣泛支持和追捧，ARM+Android成為IT、通信領域最熱門的話題，眾多芯片廠商紛紛推出具有各種獨特應用功能基于ARM結構開發(fā)的產(chǎn)品，近期最新形成的“異構概念”更成為電腦今后發(fā)展主要方向。在IT行業(yè)推崇了20多年的“性價比“概念受到根本的動搖和沖擊，“適用的才是最好的”已經(jīng)被越來越多的用戶接受。

我們就ARM架構的系統(tǒng)與X86架構系統(tǒng)的特性進行一個系統(tǒng)分析，方便用戶在選擇系統(tǒng)時進行理性、合理的比價分析。

一、性能：
X86結構的電腦無論如何都比ARM結構的系統(tǒng)在性能方面要快得多、強得多。X86的CPU隨便就是1G以上、雙核、四核大行其道，通常使用45nm（甚至更高級）制程的工藝進行生產(chǎn)；而ARM方面：CPU通常是幾百兆，最近才出現(xiàn)1G左右的CPU，制程通常使用不到65nm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結構系統(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，而在一些任務相對固定的應用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。

二、擴展能力
X86結構的電腦采用“橋”的方式與擴展設備（如：硬盤、內(nèi)存等）進行連接，而且x86結構的電腦出現(xiàn)了近30年，其配套擴展的設備種類多、價格也比較便宜，所以x86結構的電腦能很容易進行性能擴展，如增加內(nèi)存、硬盤等。

ARM結構的電腦是通過專用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存儲設備進行連接，所以ARM的存儲、內(nèi)存等性能擴展難以進行（一般在產(chǎn)品設計時已經(jīng)定好其內(nèi)存及數(shù)據(jù)存儲的容量），所以采用ARM結構的系統(tǒng)，一般不考慮擴展?；痉钚?ldquo;夠用就好”的原則。

三、操作系統(tǒng)的兼容性
X86系統(tǒng)由微軟及Intel構建的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)一的標準，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)都要單獨構建自己的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導致其應用軟件不能方便移植，這一點一直嚴重制約了ARM系統(tǒng)的發(fā)展和應用。GOOGLE開發(fā)了開放式的Android系統(tǒng)后，統(tǒng)一了ARM結構電腦的操作系統(tǒng)，使新推出基于ARM結構的電腦系統(tǒng)有了統(tǒng)一的、開放式的、免費的操作系統(tǒng)，為ARM的發(fā)展提供了強大的支持和動力。

四、軟件開發(fā)的方便性及可使用工具的多樣性
X86結構的系統(tǒng)推出已經(jīng)近30年，在此期間，x86電腦經(jīng)過飛速發(fā)展的黃金時期，用戶的應用、軟件配套、軟件開發(fā)工具的配套及兼容等工作，已經(jīng)到達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結構的電腦系統(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結構的電腦系統(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。

對這一點的比較，更直接的結論是：基于x86結構電腦系統(tǒng)平臺開發(fā)軟件比arm結構系統(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。

從以上對比分析，給了我們的一個很清晰的感覺，ARM和X86結構的電腦根本就無法對比，ARM根本就不是X86電腦的的對手。是的，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)品在終端應用特別是手持終端應用飛速發(fā)展（如：智能手機、平板電腦等），其銷售數(shù)量已經(jīng)遠遠超出x86結構的電腦銷售數(shù)量，可見ARM是具有其與X86結構電腦不可對比的優(yōu)勢。該優(yōu)勢就是：功耗.

五、功耗
X86電腦因考慮要適應各種應用的需求，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，技術進步使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結構的電腦就無法相比。

ARM的設計及發(fā)展思路是：滿足某個特殊方面的應用即可，在某一專項領域是最強的，（哪怕在其他方面一無是處），這樣Arm以其不是最強的技術，同樣也不是很高級制程的制造工藝，生產(chǎn)出性能不是很強的電腦系統(tǒng)，但在某個專業(yè)應用方面則是最好的，特別是在眾多終端應用，尤其在移動終端應用上占有絕對優(yōu)勢的統(tǒng)治地位，這個原因就是：功耗。

高功耗導致了一系列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域方面的應用，他們之間根本不存在替換性，在服務器、工作站以及其他高性能運算等應用方面，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)絕對優(yōu)勢；但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務固定的情況下ARM就占有很大的優(yōu)勢，在手持式移動終端領域，X86的功耗更使他英雄毫無用武之地。

但在很多的應用終端領域，現(xiàn)正成為兩大陣營爭奪的重點，ARM陣營努力增加其性能和系統(tǒng)（特別是操作系統(tǒng)）的通用性，蠶食x86系統(tǒng)的部分終端應用市場；X86陣營努力降低功耗保住其市場，同時侵入手持移動終端市場。

我們今天討論的重點就是在兩大陣營都能可以覆蓋的終端應用領域進行對比、分析。這類型的應用一定是終端應用，通常有下面幾個特征：
1、系統(tǒng)的工作性質(zhì)比較固定（如：POS、ATM、車載電腦系統(tǒng)、多媒體廣告播放系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以及眾多的信息接收、控制系統(tǒng)和專業(yè)的工控系統(tǒng)等等）；
2、應用環(huán)境比較惡劣，如：溫度變化很大，高溫超過40度，低溫達零下20度；多塵、潮濕等；
3、有一定的應用數(shù)量，但數(shù)量不是很大。
這部分的應用領域傳統(tǒng)上是由X86結構的低功耗工控機（系統(tǒng)）實現(xiàn)的，但近幾年ARM系統(tǒng)的飛速發(fā)展，特別是Android操作系統(tǒng)出現(xiàn)后，ARM+Android大有取代x86系統(tǒng)占領（低功耗）終端應用領域的趨勢。我們在考慮這種應用對比時根據(jù)ARM和X86的特性對比主要還考慮以下以及因數(shù)：

1、性能：
如果ARM系統(tǒng)的性能能滿足應用需求時，建議盡可能可慮采用ARM結構的產(chǎn)品，否則只能考慮X86的產(chǎn)品。注意在這里我們要強調(diào)的是：不要講兩個系統(tǒng)的絕對性能進行比較，而是以能否您的應用特點為標準進行分析。

2、應用數(shù)量：
如果您的應用數(shù)量太少，您可能根本不值得獨立開發(fā)一套應用系統(tǒng)，但如果您的應用數(shù)量達到幾百甚至過千時，您是值得考慮自己開發(fā)一套新的系統(tǒng)的。因為：Arm的開發(fā)成本和制造成本相對比較低，如果有幾百個以上終端應用，應該可以分攤掉開發(fā)成本。

如果選用X86結構的系統(tǒng)，根本不應該考慮單獨開發(fā)一套專用系統(tǒng)（因為開發(fā)成本太高，可能是ARM的10倍），而是在市場上篩選出最接近您需求的產(chǎn)品，以避免高昂的硬件開發(fā)成本，和今后的制造成本（如果批次生產(chǎn)的數(shù)量不夠，排產(chǎn)成本也會很高）。

3、操作系統(tǒng)
ARM的操作系統(tǒng)通常是單獨建立一個自己的Linux系統(tǒng)，且系統(tǒng)與系統(tǒng)間不能兼容，這嚴重制約了Arm的應用擴展，但Android出現(xiàn)后，系統(tǒng)兼容的屏障正逐步消失，促進了系統(tǒng)以及應用軟件的兼容，大大擴大了ARM應用軟件的的數(shù)量同時擴大了其應用空間。

4、功耗以及功耗延伸的系列問題
ARM的優(yōu)勢是功耗低，其實低功耗還意味著：
1）穩(wěn)定性高：因為功耗越高電子元器件的穩(wěn)定性和可靠性越差，對低功耗的產(chǎn)品只要選擇好外圍元件的品質(zhì)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不會有太大問題；
2）散熱成本低和可以考慮更小的產(chǎn)品體積：對高功耗的產(chǎn)品不可避免要考慮散熱問題，而散熱設備（或器件）的存在，有制約了產(chǎn)品的體積，對某些場合的應用構成致命的制約。但ARM的功耗<1W，完全不用考慮散熱問題。
3）功耗低對供電電源的要求低：幾乎所有電子產(chǎn)品，（在同等條件下）功耗越高對電源的要求越高，電源的成本就越高。
4）功耗低電池的續(xù)航時間長，這不作詳盡解釋。
5）功耗低對抗環(huán)境傷害的能力強：低功耗產(chǎn)品因為不用考慮散熱，可以將產(chǎn)品密封保護起來，但高功耗產(chǎn)品必須散熱，甚至需要風扇幫助散熱，這樣必然使很多的元件和線路裸露在空氣中，被空氣中的塵埃、濕氣、酸堿物質(zhì)等腐蝕。

5、軟件開發(fā)成本問題
Arm的操作系統(tǒng)很小（精簡）不可能帶很多工具，通常基于Arm的軟件大多用C或JAVA開發(fā)，其成本會比基于X86系統(tǒng)的高。而且對大多數(shù)ARM而言，因其操作系統(tǒng)不一樣，軟件業(yè)不能在兩個系統(tǒng)中自由互換使用，但一般來說：用C或JAVA編寫的軟件只需在ARM平臺的操作系統(tǒng)中編譯一下就可以移植過去。

但對Android系統(tǒng)開發(fā)的軟件，只要能在某臺Arm設備中運行，就可以在另一臺基于同樣系統(tǒng)的設備中運行。

6、硬件的開發(fā)成本
ARM實際上在CPU芯片中已經(jīng)整合了幾乎所有功能，幾乎所有線路按原理圖直接拉出就可以了，需要擴展的部分一般不多，所以其開發(fā)成本會比較低，通常三五萬就可以了。

但X86的外圍線路很多，需要相當經(jīng)驗的工程師，而且還有BIOS等設計，所以X86主板的設計費用會比較高，通常要二三十萬。

7、硬件的制造及應用成本
無論Arm或X86主板其制造成本都是由元件和加工費構成，通常一片ARM的主板價格與一片X86主板的價格差不多，但ARM是一片可以獨立使用的產(chǎn)品，但x86主板通常還要加上：CPU、內(nèi)存、硬盤甚至還有顯卡。另外X86還要配上一個電源，這個電源比ARM得電源要貴很多。所以：明顯X86在硬件方面的應用成本比ARM高得多。

總結上面對比，X86系統(tǒng)和ARM系統(tǒng)應該是兩個完全不同領域的應用，如果功能單一又受到環(huán)境制約的應用，如：POS、ATM、多媒體廣告機（現(xiàn)已經(jīng)有ARM+DSP的產(chǎn)品）、車載電腦終端等應用，應該首先考慮ARM方案，ARM方案與X86相比，其功耗和成本占有很大優(yōu)勢。