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1、CPU 架 构 解 析 报 告报 告 人 ： 夏 栩四 川 农 业 大 学 信 息 工 程 学 院本 报 告 旨 在 从 x86、 MIPS、 ARM 等 不 同 ， 简 单 分 析 说 明 各 种 架 构 之 间 关系 、 以 及 各 自 特 点 。 首 先 明 确 体 系 架 构 和 体 系 结 构 的 定 义 ， 然 后 分 别 论 述x86、 ARM、 MIPS 架 构 的 特 点 ， 然 后 是 简 单 介 绍 ARM 与 MIPS 对 比 ， ARM 与X86 对 比 ， 最 后 是 谈 一 下 对 ARM 处 理 器 的 前 景 观 望 。首 先 ， 体 系 架 构 的 定 义

2、：CPU架 构 是 CPU厂 商 给 属 于 同 一 系 列 的 CPU产 品 定 的 一 个 规 范 ， 主 要 目的 是 为 了 区 分 不 同 类 型 CPU的 重 要 标 示 。 目 前 市 面 上 的 CPU主 要 分 有 两 大 阵营 ， 一 个 是 intel系 列 CPU， 另 一 个 是 AMD系 列 CPU。 图表 1 第一块支持 X86 指令集的 Intel i8086 处理器图表 2 AMD 系列 CPU体 系 结 构 的 定 义 :在 计 算 世 界 中 , “体 系 结 构 “一 词 被 用 来 描 述 一 个 抽 象 的机 器 ,而 不 是 一 个 具 体 的 机

3、 器 实 现 。 一 般 而 言 ， 一 个 CPU的 体 系 结 构 有 一 个 指令 集 加 上 一 些 寄 存 器 而 组 成 。“指 令 集 ”与 “体 系 结 构 ”这 两 个 术 语 是 同 义 词 。 一 、 x86、 ARM、 MIPS 架 构 x86、 ARM、 MIPS 算 是 是 目 前 最 常 见 也 相 对 最 知 名 的 处 理 器 架 构 了 。 1、 x86 架 构 图表 3 X86 架构处理器示意图x86 或 80x86 是 英 特 尔 首 先 开 发 制 造 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

4、 称 是 以 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”。 x86 架 构 于 1978 年 推 出 的 Intel 8086 中 央 处 理 器 中 首 度 出 现 ， 它 是 从 Intel 8008 处 理 器 中 发 展 而 来 的 ， 而 8008 则 是 发 展 自 Intel 4004 的 。 8086 在 三 年 后为 IBM PC 所 选 用 ， 之 后 x86 便 成 为 了 个 人 电 脑 的 标 准 平 台 ， 成 为

5、了 历 来 最成 功 的 CPU 架 构 。 8086 是 16 位 元 处 理 器 ； 直 到 1985 年 32 位 元 的 80386 的开 发 ， 这 个 架 构 都 维 持 是 16 位 元 。 接 着 一 系 列 的 处 理 器 表 示 了32 位 元 架 构 的细 微 改 进 ， 推 出 了 数 种 的 扩 充 ， 直 到2003 年 AMD 对 于 这 个 架 构 发 展 了 64 位元 的 扩 充 ， 并 命 名 为 AMD64。 后 来 Intel 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-

6、64 或 x64， 开 创 了 x86 的 64 位 时 代 。 值 得 注 意 的 是 Intel 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 。（ 对 于 Intel 和 AMD 的 处 理 器 技 术 ， 打 算 专 门挑 些 典 型 的 区 别 总 结 一 篇 文 章 ） x86 架 构 是 重 要 地 可 变 指 令 长 度 的 CISC。 字 组

7、（ word, 4 字 节 ） 长 度 的 内存 存 取 允 许 不 对 齐 内 存 位 址 ， 字 组 是 以 低 位 字 节 在 前 的 顺 序 储 存 在 内 存中 。 向 后 相 容 性 一 直 都 是 在 x86 架 构 的 发 展 背 后 一 股 驱 动 力 量 （ 设 计 的 需 要决 定 了 这 项 因 素 而 常 常 导 致 批 评 ， 尤 其 是 来 自 对 手 处 理 器 的 拥 护 者 和 理论 界 ， 他 们 对 于 一 个 被 广 泛 认 为 是 落 后 设 计 的 架 构 的 持 续 成 功 感 到 不 解 ）。 但在 较 新 的 微 架 构 中 ， x86 处

8、理 器 会 把 x86 指 令 转 换 为 更 像 RISC 的 微 指 令 再 予 执行 ， 从 而 获 得 可 与 RISC 比 拟 的 超 标 量 性 能 ， 而 仍 然 保 持 向 前 兼 容 。如 今 ， 我 们 面 前 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 的 是 放 弃Windows 系 统 。 （ 好 消 息 是 即 将 正 式 发布 的 Windows 8 将 支 持 x86 和 ARM 两 种 架 构 ） 2、 ARM 架 构 图表 4 ARM Cortex-A9 架构处理

9、器图表 5 ARM Cortex-A8 处理器隶属于 Cortex-A 系列，基于 ARMv7-A 架构ARM 架 构 （ 进 阶 精 简 指 令 集 机 器 （Advanced RISC Machine） ， 较 早 称 作Acorn RISC Machine） 是 一 个 32 位 元 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 。 ARM 架 构 包

10、 含 了 下 述 RISC 特 性 ： 1.读 取 储 存 架 构 2.正 交 指 令 集 （ 任 意 存 取 指 令 可 以 任 意 的 寻 址 方 式 存 取 数 据Orthogonal instruction set） 3.大 量 的 16 32-bit 寄 存 器 阵 列 （ register file） 4.固 定 的 32 bits 操 作 码 （ opcode） 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

11、 ， 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 （ branch predictor） 的 不 足 。 2.算 数 指 令 只 会 在 要 求 时 更 改 条 件 编 码 （conditioncode） 3.32-bit 筒 型 位 移 器 （ barrelshifter） 可 用 来 执 行 大 部 分 的 算 数 指 令 和 寻址 计 算 而 不 会 损 失

12、 效 能 4.强 大 的 索 引 寻 址 模 式 （ addressing mode） 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 在 今 日 ， ARM 家 族 占 了 所 有 32 位 元 嵌 入 式 处 理 器 75%的 比 例 ， 使 它 成为 占 全 世 界 最 多 数 的 32 位 元 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 玩 、计 算 机 ） 到 电 脑

13、周 边 设 备 （ 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 。 对 于 智 能 机 爱 好 者 们 ， ARM 处 理 器 的 大 名 一 定 早 有 所 闻 。 3、 MIPS 架 构 图表 6 MIPS 架构MIPS 架 构 （ 英 语 ： MIP Sarchitecture， 为 “无 内 部 互 锁 流 水 级 的 微 处 理 器Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages 的 缩 写 ， 也 是 Millionsof Instruction

14、s Per Second 的 相 关 语 ）， 是 一 种 采 取 精 简 指 令 集 （RISC） 的 处 理 器 架构 ， 1981 年 出 现 ， 由 MIPS 科 技 公 司 开 发 并 授 权 ， 广 泛 被 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

15、 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

16、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

17、容 。 ARM 与 MIPS 对 比 ： 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 ： 1， MIPS 支 持 64bit 指 令 和 操 作 ， ARM 目 前 只 到 32bit 2， MIPS 有 专 门 的 除 法 器 ， 可 以 执 行 除 法 指 令 3， 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 4， MIPS 指 令 比 ARM 稍 微 多 一 点 ， 稍

18、微 灵 活 一 点 5， 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 以 上 为 MIPS 对 比 ARM 架 构 的 优 势 ， 接 下 来 我 们 再 看 一 看MIPS 架 构 的 不足 之 处 ， 与 ARM 架 构 相 比 ， MIPS 架 构 也 存 在 着 以 下 几 点 不 足 1， 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

19、容 量 内 存 时 有 问 题 2， 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 。 3， 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 NV 的 丹 佛 已 经 是 乱 序 三 发 射 了 。 商 业 上 二 者 差 别 也 大 ， ARM

20、 很 昂 贵 ， 而 且 不 能 随 意 自 行 更 改 内 核 。 而MIPS 就 要 开 放 的 多 了 。（ 这 也 算 龙 芯 为 什 么 不 采 用 ARM 架 构 的 原 因 了 。） ARM 与 x86 对 比 ： X86 指 令 集 有 以 下 几 个 突 出 的 缺 点 ： 通 用 寄 存 器 组 对 CPU 内 核 结 构 的 影 响 X86 指 令 集 只 有 8 个 通 用 寄 存器 。 所 以 ， CISC 的 CPU 执 行 是 大 多 数 时 间 是 在 访 问 存 储 器 中 的 数 据 ， 而 不是 寄 存 器 中 的 。 这 就 拖 慢 了 整 个 系 统

21、的 速 度 。 RISC 系 统 往 往 具 有 非 常 多 的 通 用 寄 存 器 ， 并 采 用 了 重 叠 寄 存 器 窗 口和 寄 存 器 堆 等 技 术 使 寄 存 器 资 源 得 到 充 分 的 利 用 。 RISC 技术与 CISC 技术比较图表 7 RISC 技术与 CISC 技术比较解 码 对 CPU 的 外 核 的 影 响 解 码 器 ， 这 是 x86CPU 才 有 的 东 西 。 其 作 用 是 把 长 度 不 定 的 x86 指 令 转 换为 长 度 固 定 的 类 似 于 RISC 的 指 令 ， 并 交 给 RISC 内 核 。 解 码 分 为 硬 件 解 码 和

22、 微解 码 ， 对 于 简 单 的 x86 指 令 只 要 硬 件 解 码 即 可 ， 速 度 较 快 ， 而 遇 到 复 杂 的x86指 令 则 需 要 进 行 微 解 码 ， 并 把 它 分 成 若 干 条 简 单 指 令 ， 速 度 较 慢 且 很 复 杂 。 寻址 范 围 小 约 束 了 用 户 需 要 ARM 指 令 集 的 特 点 ： 1. 体 积 小 ， 低 功 耗 ， 低 成 本 ， 高 性 能 ； 2. 支 持 Thumb （ 16 位 ） /ARM （ 32 位 ） 双 指 令 集 ， 能 很 好 的 兼 容 8 位 /16 位器 件 ； 3. 大 量 使 用 寄 存 器

23、， 指 令 执 行 速 度 更 快 ； 4. 大 多 数 数 据 操 作 都 在 寄 存 器 中 完 成 ； 5. 寻 址 方 式 灵 活 简 单 ， 执 行 效 率 高 ； 6. 指 令 长 度 固 定 ； 7. 流 水 线 处 理 方 式 8. Load store 结 构 ： 在 RISC 中 ， 所 有 的 计 算 都 要 求 在 寄 存 器 中 完 成 。 而寄 存 器 和内 存 的 通 信 则 由 单 独 的 指 令 来 完 成 。 而 在CSIC 中 ， CPU 是 可 以 直 接 对 内存 进 行 操 作 的 。 ARM 的 一 些 非 RISC 思 想 的 指 令 架 构 ：

24、 1. 允 许 一 些 特 定 指 令 的 执 行 周 期 数 字 可 变 ， 以 降 低 功 耗 ， 减 小 面 积和 代 码 尺 寸 。 2. 增 加 了 桶 形 移 位 器 来 扩 展 某 些 指 令 的 功 能 。 3. 使 用 了 16 位 的 Thumb 指 令 集 来 提 高 代 码 密 度 。 4. 使 用 条 件 执 行 指 令 来 提 高 代 码 密 度 和 性 能5. 使 用 增 强 指 令 来 实 现 数 据 信 号 处 理 的 功 能 。 ARM 处 理 器 的 前 景 观 望 小 结 ：X86 采 用 CISC， 具 有 大 量 的 复 杂 指 令 、 可 变 的

25、指 令 长 度 、 多 种 的 寻 址方 式 这 些 CISC 的 特 点 ， 也 是 CISC 的 缺 点 ， 因 为 这 些 都 大 大 增 加 了 解 码 的 难度 ， 而 在 现 在 的 高 速 硬 件 发 展 下 ， 复 杂 指 令 所 带 来 的 速 度 提 升 早 已 不 及在 解 码 上 浪 费 点 的 时 间 。 除 了 个 人PC 市 场 还 在 用 X86 指 令 集 外 ， 服 务 器 以 及更 大 的 系 统 都 早 已 不 用 CISC 了 。 x86 仍 然 存 在 的 理 由 就 是 为 了 兼 容 大 量 的x86平 台 上 的 软 件 ， 同 时 ， 它 的

26、 体 系 结 构 组 成 的 实 现 不 太 困 难 。不 过 现 在 X86 只 是RISC 的 内 核 披 了 件 CISC 的 外 衣 ， 从 Pentium 开 始 ， CISC 指 令 在 内 部 被 解 码 成几 条 RISC 指 令 ， 即 所 谓 的 uOps， 然 后 通 过 处 理 器 调 度 机 制 将 指 令 分 配 给RISC内 核 进 行 。一 方 面 ， ARM 采 用 的 RISC 体 系 最 大 特 点 是 指 令 长 度 固 定 ， 指 令 格 式 种类少 ， 寻 址 方 式 种 类 少 ， 大 多 数 是 简 单 指 令 且 都 能 在 一 个 时 钟 周

27、 期 内 完 成 ，易 于设 计 超 标 量 与 流 水 线 ， 寄 存 器 数 量 多 ， 大 量 操 作 在 寄 存 器 之 间 进 行 ，因 此 有 较快 运 行 速 度 。另一方面，ARM 目前是移动处理器的老大。ARM 的合作伙伴们基于ARM 的设计向移动和嵌入式市场的出货量已经达 500 亿片。对于安卓，ARM 已然成为标准，这对 Intel 和 MIPS 而言是个问题。尽管安卓的主要编程语言是 Java，开发者也可以使用现有的代码（比如 C或者 C+）去开发应用。这些固定平台的应用通常都编译成 ARM 处理器的程序，不全都会编译成 Intel 或者 MIPS 处理器的程序。为了解决这个问题，Intel 和 MIPS 要使用特殊的转换软件把 ARM 的指令转换成他们处理器使用的指令。而这当然是会降低性能的。 综上所述，制造处理器是一项复杂的业务，虽然 ARM，Intel和 MIPS 都在不懈努力地向移动设备提供最好的技术，但是很明显ARM 是老大。拥有着低功耗，简明的 64 位设计，异构计算，以及作为移动计算的标准，看来 ARM 在未来较长一段时间里保持其老大的地位。