x86架构和ARM架构

以下文章摘自:

http://bbs.meizu.com/thread-2841127-1-1.html

 

一、背景知识:

指令的强弱是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

(CISC)和精简指令集(RISC)两部分。

相应的,微处理随着微指令的复杂度也可分为CISC及

RISC这两类。

CISC

是一种为了便于编程和提高记忆体访问效率的晶片设计体

系。在20世纪90年代中期之前,大多数的微处理器都采

用CISC体系──包括Intel的80×86和Motorola的68K系列

等。 即通常所说的X86架构就是属于CISC体系的。

RISC

是为了提高处理器运行的速度而设计的晶片体系。它的关

键技术在于流水线操作(Pipelining):在一个时钟周期

里完成多条指令。而超流水线以及超标量技术已普遍在晶

片设计中使用。RISC体系多用于非x86阵营高性能微处理

器CPU。像HOLTEK MCU系列等。

ARM ( Advanced RISC Machines ),既可以认为是一

个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还

可以认为是一种技术的名字。而ARM体系结构目前被公

认为是业界领先的32 位嵌入式RISC 微处理器结构。 所有

ARM处理器共享这一体系结构。

因此我们可以从其所属体系比较入手,来进行X86指令集

与ARM指令集的比较。

二、CISC和RISC的比较

(一)

CISC

1

.CISC体系的指令特征

使用微代码。

指令集可以直接在微代码记忆体(比主记忆体的速度快很

多)里执行,新设计的处理器,只需增加较少的电晶体就

可以执行同样的指令集,也可以很快地编写新的指令集程

式。

庞大的指令集。

可以减少编程所需要的代码行数,减轻程式师的负担。高

阶语言对应的指令集:包括双运算元格式、寄存器到寄存

器、寄存器到记忆体以及记忆体到寄存器的指令。

2

.CISC体系的优缺点

优点:

能够有效缩短新指令的微代码设计时间,允许设计师实现

CISC体系机器的向上相容。

新的系统可以使用一个包含早期系统的指令超集合,也就

可以使用较早电脑上使用的相同软体。另外微程式指令的

格式与高阶语言相匹配,因而编译器并不一定要重新编

写。

缺点:

指令集以及晶片的设计比上一代产品更复杂,不同的指

令,需要不同的时钟周期来完成,执行较慢的指令,将影

响整台机器的执行效率。

(二)RISC

1

.RISC体系的指令特征

精简指令集:

包含了简单、基本的指令,透过这些简单、基本的指令,

就可以组合成复杂指令。

同样长度的指令:

每条指令的长度都是相同的,可以在一个单独操作里完

成。

单机器周期指令:

大多数的指令都可以在一个机器周期里完成,并且允许处

理器在同一时间内执行一系列的指令。

2

.RISC体系的优缺点

优点:

在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下,RISC系统的

运行速度将是CISC的2~4倍。由于RISC处理器的指令集

是精简的,它的记忆体管理单元、浮点单元等都能设计在

同一块晶片上。RISC处理器比相对应的CISC处理器设计

更简单,所需要的时间将变得更短,并可以比CISC处理

器应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。

缺点:

多指令的操作使得程式开发者必须小心地选用合适的编译

器,而且编写的代码量会变得非常大。另外就是RISC体

系的处理器需要更快记忆体,这通常都集成于处理器内

部,就是L1 Cache(一级缓存)。

综合上面所述,若要再进一步比较CISC与RISC之差异,

可以由以下几点来进行分析:

1、指令的形成

CISC

因指令复杂,故采微指令码控制单元的设计,而RISC的

指令90%是由硬体直接完成,只有10%的指令是由软体以

组合的方式完成,因此指令执行时间上RISC较短,但

RISC所须ROM空间相对的比较大,至于RAM使用大小应

该与程序的应用比较有关系。

2、定址模式

CISC

的需要较多的定址模式,而RISC只有少数的定址模式,

因此CPU在计算记忆体有效位址时,CISC占用的汇流排周

期较多。

3、指令的执行

CISC

指令的格式长短不一,执行时的周期次数也不统一,而

RISC结构刚好相反,故适合采用管线处理架构的设计,

进而可以达到平均一周期完成一指令的方向努力。显然

的,在设计上RISC较CISC简单,同时因为CISC的执行步

骤过多,闲置的单元电路等待时间增长,不利于平行处理

的设计,所以就效能而言RISC较CISC还是站了上风,但

RISC因指令精简化后造成应用程式码变大,需要较大的

程式记忆体空间,且存在指令种类较多等等的缺点。

(三)X86指令集和ARM指令集:

(1) X86指令集:

X86

指令集是Intel为其第一块16位CPU(i8086)专门开发的,

后来的电脑中为提高浮点数据处理能力而增加的X87芯片

系列数学协处理器另外使用X87指令,以后就将X86指令

集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着CPU技术的

不断发展,Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486,

但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保

护和继承丰富的软件资源,所以Intel公司所生产的所有

CPU仍然继续使用X86指令集,所以它的CPU仍属于X86

系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU都使用X86指令

集,所以就形成了今天庞大的X86系列及兼容CPU阵容。

除了具备上述CISC的诸多特性外,X86指令集有以下几个

突出的缺点:

l 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。

l 解码————对CPU的外核的影响

解码器(Decode Unit),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。Athlon也好,

PIII也好,老式的CISC的X86指令集严重制约了他们的性

能表现。

l 寻址范围小——约束了用户需要

即使AMD

研发出X86-64架构时,虽然也解决了传统X86固有的一些

缺点,比如寻址范围的扩大,但这种改善并不能直接带来

性能上的提升。

(2) ARM指令集:

相比而言,以RISC为架构体系的ARM指令集的指令格式

统一,种类比较少,寻址方式也比复杂指令集少。当然处

理速度就提高很多。ARM处理器都是所谓的精简指令集

处理机(RISC)。

其所有指令都是利用一些简单的指令组成的,简单的指令

意味着相应硬件线路可以尽量做到最佳化,而提高执行速

率,相对的使得一个指令所需的时间减到最短。

而因为指令集的精简,所以许多工作都必须组合简单的指

令,而针对较复杂组合的工作便需要由『编译程式』

(compiler) 来执行,而 CISC 体系的X86指令集因为硬体

所提供的指令集较多,所以许多工作都能够以一个或是数

个指令来代替,compiler 的工作因而减少许多。

除了具备上述RISC的诸多特性之外,可以总结ARM指令

集架构的其它一些特点如下:

l ARM

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,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

l ARM的一些非RISC

思想的指令架构:

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。

(四)小结:

因此,大量的复杂指令、可变的指令长度、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,它的体系结构组成的实

现不太困难。

而RISC体系的ARM指令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。优点是不言而喻

的,因此,ARM处理器才成为是当前最流行的处理器系

列,是几种主流的嵌入式处理体系结构之一。

RISC

目前正如日中天,Intel似乎也将最终抛弃x86而转向RISC

结构。

而实际上,随着RISC处理器在嵌入式领域中大放异彩,

传统的X86系列CISC处理器在Intel公司的积极改进下也克

服了功耗过高的问题,成为一些高性能嵌入式设备的最佳

选择,发展到今天,CISC与RISC之间的界限已经不再是

那么泾渭分明,RISC自身的设计正在变得越来越复杂

(当然并不是完全依着CISC的思路变复杂),因为所有

实际使用的CPU都需要不断提高性能,所以在体系结构中

加入新特点就在所难免。另一方面,原来被认为是CISC

体系结构的处理器也吸收了许多RISC的优点,比如

Pentium处理器在内部的实现中也是采用的RISC的架构,

复杂的指令在内部由微码分解为多条精简指令来运行,但

是对于处理器外部来说,为了保持兼容性还是以CISC风

格的指令集展示出来。

 

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