深入了解CPU兩大架構ARM與X86

　　隨便逮住一個人問他知不知道CPU，我想他的答案一定會是肯定的，但是如果你再問他知道ARM和X86架構么？這兩者的區(qū)別又是什么？絕大多數的人肯定是一臉懵逼。今天小編就帶你深入了解CPU的這兩大架構：ARM和X86。以后出去裝X就靠它了！

　　重溫下CPU是什么鬼

　　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，控制器就是負責發(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、處理數據四大作用，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。移動設備其實很復雜，這些CPU需要執(zhí)行數以百萬計的指示，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重要的。速度影響用戶體驗，而效率影響電池壽命。最完美的移動設備是高性能和低功耗相結合。

　　要了解X86和ARM，就得先了解復雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC） 從CPU發(fā)明到現在，有非常多種架構，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。但是如果從最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“復雜指令集”與“精簡指令集”系統(tǒng)，也就是經常看到的“CISC”與“RISC”。 Intel和ARM處理器的第一個區(qū)別是，前者使用復雜指令集（CISC），而后者使用精簡指令集（RISC）。屬于這兩種類中的各種架構之間最大的區(qū)別，在于它們的設計者考慮問題方式的不同。

　　我們可以繼續(xù)舉個例子，比如說我們要命令一個人吃飯，那么我們應該怎么命令呢？我們可以直接對他下達“吃飯”的命令，也可以命令他“先拿勺子，然后舀起一勺飯，然后張嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。從這里可以看到，對于命令別人做事這樣一件事情，不同的人有不同的理解，有人認為，如果我首先給接受命令的人以足夠的訓練，讓他掌握各種復雜技能（即在硬件中實現對應的復雜功能），那么以后就可以用非常簡單的命令讓他去做很復雜的事情——比如只要說一句“吃飯”，他就會吃飯。但是也有人認為這樣會讓事情變的太復雜，畢竟接受命令的人要做的事情很復雜，如果你這時候想讓他吃菜怎么辦？難道繼續(xù)訓練他吃菜的方法？我們?yōu)槭裁床豢梢园咽虑榉譃樵S多非常基本的步驟，這樣只需要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同樣的工作，無非是下達命令的人稍微累一點——比如現在我要他吃菜，只需要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”，問題就解決了，多么簡單。這就是“復雜指令集”和“精簡指令集”的邏輯區(qū)別。

　　從幾個方面比較ARM與X86架構Intel和ARM的處理器除了最本質的復雜指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）的區(qū)別之外，下面我們再從以下幾個方面對比下ARM和X86架構。一、制造工藝ARM和Intel處理器的一大區(qū)別是ARM從來只是設計低功耗處理器，Intel的強項是設計超高性能的臺式機和服務器處理器。

　　一直以來，Intel都是臺式機的服務器行業(yè)的老大。然而進入移動行業(yè)時，Intel依然使用和臺式機同樣的復雜指令集架構，試圖將其硬塞入給移動設備使用的體積較小的處理器中。但是Intel i7處理器平均發(fā)熱率為45瓦?；贏RM的片上系統(tǒng)（其中包括圖形處理器）的發(fā)熱率最大瞬間峰值大約是3瓦，約為Intel i7處理器的1/15。其最新的Atom系列處理器采用了跟ARM處理器類似的溫度控制設計，為此Intel必須使用最新的22納米制造工藝。一般而言，制造工藝的納米數越小，能量的使用效率越高。ARM處理器使用更低的制造工藝，擁有類似的溫控效果。比如，高通曉龍805處理器使用28納米制造工藝。

　　二、64位計算對于64位計算，ARM和Intel也有一些顯著區(qū)別。Intel并沒有開發(fā)64位版本的x86指令集。64位的指令集名為x86-64（有時簡稱為x64），實際上是AMD設計開發(fā)的。Intel想做64位計算，它知道如果從自己的32位x86架構進化出64位架構，新架構效率會很低，于是它搞了一個新64位處理器項目名為IA64。由此制造出了Itanium系列處理器。

　　同時AMD知道自己造不出能與IA64兼容的處理器，于是它把x86擴展一下，加入了64位尋址和64位寄存器。最終出來的架構，就是 AMD64，成為了64位版本的x86處理器的標準。IA64項目并不算得上成功，現如今基本被放棄了。Intel最終采用了AMD64。Intel當前給出的移動方案，是采用了AMD開發(fā)的64位指令集（有些許差別）的64位處理器。

　　而ARM在看到移動設備對64位計算的需求后，于2011年發(fā)布了ARMv8 64位架構，這是為了下一代ARM指令集架構工作若干年后的結晶。為了基于原有的原則和指令集，開發(fā)一個簡明的64位架構，ARMv8使用了兩種執(zhí)行模式，AArch32和AArch64。顧名思義，一個運行32位代碼，一個運行64位代碼。ARM設計的巧妙之處，是處理器在運行中可以無縫地在兩種模式間切換。這意味著64位指令的解碼器是全新設計的，不用兼顧32位指令，而處理器依然可以向后兼容。

　　三、異構計算ARM的big.LITTLE架構是一項Intel一時無法復制的創(chuàng)新。在big.LITTLE架構里，處理器可以是不同類型的。傳統(tǒng)的雙核或者四核處理器中包含同樣的2個核或者4個核。一個雙核Atom處理器中有兩個一模一樣的核，提供一樣的性能，擁有相同的功耗。ARM通過big.LITTLE向移動設備推出了異構計算。這意味著處理器中的核可以有不同的性能和功耗。當設備正常運行時，使用低功耗核，而當你運行一款復雜的游戲時，使用的是高性能的核。

　　這是什么做到的呢？設計處理器的時候，要考慮大量的技術設計的采用與否，這些技術設計決定了處理器的性能以及功耗。在一條指令被解碼并準備執(zhí)行時，Intel和ARM的處理器都使用流水線，就是說解碼的過程是并行的。

　　為了更快地執(zhí)行指令，這些流水線可以被設計成允許指令們不按照程序的順序被執(zhí)行（亂序執(zhí)行）。一些巧妙的邏輯結構可以判斷下一條指令是否依賴于當前的指令執(zhí)行的結果。Intel和ARM都提供亂序執(zhí)行邏輯結構，可想而知，這種結構十分的復雜，復雜意味著更多的功耗。

　　Intel處理器由設計者們選擇是否加入亂序邏輯結構。異構計算則沒有這方便的問題。ARM Cortex-A53采用順序執(zhí)行，因此功耗低一些。而ARM Cortex-A57使用亂序執(zhí)行，所以更快但更耗電。采用big.LITTLE架構的處理器可以同時擁有Cortex-A53和Cortex-A57核，根據具體的需要決定如何使用這些核。在后臺同步郵件的時候，不需要高速的亂序執(zhí)行，僅在玩復雜游戲的時候需要。在合適的時間使用合適的核。

　　此外，ARM具有其與X86架構電腦不可對比的優(yōu)勢，該優(yōu)勢就是：功耗。其實它們的功耗主要是由這幾點決定的。首先，功耗和工藝制程相關。ARM的處理器不管是哪家主要是靠臺積電等專業(yè)制造商生產的，而Intel是由自己的工廠制造的。一般來說后者比前者的工藝領先一代，也就是2-3年。如果同樣的設計，造出來的處理器應該是Intel的更緊湊，比如一個是22納米，一個是28納米，同樣功能肯定是22納米的耗電更少。

　　那為什么反而ARM的比X86耗電少得多呢。這就和另外一個因素相關了，那就是設計。

　　設計又分為前端和后端設計，前端設計體現了處理器的構架，精簡指令集和復雜指令集的區(qū)別是通過前端設計體現的。后端設計處理電壓，時鐘等問題，是耗電的直接因素。先說下后端怎么影響耗電的。我們都學過，晶體管耗電主要兩個原因，一個是動態(tài)功耗，一個是漏電功耗。動態(tài)功耗是指晶體管在輸入電壓切換的時候產生的耗電，而所有的邏輯功能的0/1切換，歸根結底都是時鐘信號的切換。如果時鐘信號保持不變，那么這部分的功耗就為0。這就是所謂的門控時鐘（Clock Gating）。而漏電功耗可以通過關掉某個模塊的電源來控制（Power Gating）。當然，其中任何一項都會使得時鐘和電源所控制的模塊無法工作。他們的區(qū)別在于，門控時鐘的恢復時間較短，而電源控制的時間較長。此外，如果條單條指令使用多個模塊的功能，在恢復功能的時候，并不是最慢的那個模塊的時間，而可能是幾個模塊時間相加，因為這牽涉到一個上電次序（Power Sequence）的問題，也就是恢復工作時候模塊間是有先后次序的，不遵照這個次序，就無法恢復。而遵照這個次序，就會使得總恢復時間很長。所以在后端這塊，可以得到一個結論，為了省電，可以關閉一些暫時不會用到的處理器模塊。但是也不能輕易的關閉，否則一旦需要，恢復的話會讓完成某個指令的時間會很長，總體性能顯然降低。此外，子模塊的門控時鐘和電源開關通常是設計電路時就決定的，對于操作系統(tǒng)是透明的，無法通過軟件來優(yōu)化。

　　再來看前端。ARM的處理器有個特點，就是亂序執(zhí)行能力不如X86。換句話說，就是用戶在使用電腦的時候，他的操作是隨機的，無法預測的，造成了指令也無法預測。X86為了增強對這種情況下的處理能力，加強了亂序指令的執(zhí)行。此外，X86還增強了單核的多線程能力。這樣做的缺點就是，無法很有效的關閉和恢復處理器子模塊，因為一旦關閉，恢復起來就很慢，從而造成低性能。為了保持高性能，就不得不讓大部分的模塊都保持開啟，并且時鐘也保持切換。這樣做的直接后果就是耗電高。而ARM的指令強在確定次序的執(zhí)行，并且依靠多核而不是單核多線程來執(zhí)行。這樣容易保持子模塊和時鐘信號的關閉，顯然就更省電。

　　此外，在操作系統(tǒng)這個級別，個人電腦上通常會開很多線程，而移動平臺通常會做優(yōu)化，只保持必要的線程。這樣使得耗電差距進一步加大。當然，如果X86用在移動平臺，肯定也會因為線程少而省電。凌動系列（ATOM）專門為這些特性做了優(yōu)化，在一定程度上降低亂序執(zhí)行和多線程的處理能力，從而達到省電?，F在移動處理器都是片上系統(tǒng)（SoC）架構，也就是說，處理器之外，圖形，視頻，音頻，網絡等功能都在一個芯片里。這些模塊的打開與關閉就容易預測的多，并且可以通過軟件來控制。這樣，整體功耗就更加取決于軟件和制造工藝而不是處理機架構。在這點上，X86的處理器占優(yōu)勢，因為Intel的工藝有很大優(yōu)勢，而軟件優(yōu)化只要去做肯定就可以做到。

　　ARM和X86現在發(fā)展如何？關于X86架構和ARM架構這兩者誰將統(tǒng)一市場的爭執(zhí)一直都有，但是也有人說這兩者根本不具備可比性，X86無法做到ARM的功耗，而ARM也無法做到X86的性能。現在ARM架構已經具備了進入服務器芯片的能力，眾多芯片研發(fā)企業(yè)紛紛采用ARM架構研發(fā)服務器芯片無疑將促進其繁榮， 2015年一款采用ARM架構的Windows 10平板現身，這也是目前曝光的全球首款非X86架構、運行Windows系統(tǒng)的平板產品。

　　同時，經過數年的努力，2016年AMD終于推出了首個基于ARM架構的處理器——Opteron A1100。AMD希望能夠憑借這一處理器挑戰(zhàn)Intel在數據中心服務器市場的霸主地位。這樣看來，Intel在服務器芯片市場將會逐漸失去霸主地位，而且，Intel已然錯過了移動 CPU 市場，現在它正試圖跳進千萬億的物聯網領域，具體表現如何，看時間的考驗吧。