arm架构和x86架构,ARM架构与X86架构的对比

首页 > 数码 > 作者:YD1662024-06-07 22:21:45

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PowerPC

PowerPC是有蓝色巨人IBM联合苹果、摩托罗拉公司研发的一种基于RISC精简指令集的CPU,PowerPC架构最大优点是灵活性非常好,核心数目灵活可变,因此在嵌入式设备上具有很高效益,可以针对服务器市场做超多核,针对掌机做双核,因此它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。

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ARM(Advanced RISC Machine,进阶精简指令集机器)

ARM可以说是一个异军突起的CPU架构,采用了RISC精简指令集,而且ARM发展到今天,架构上非常灵活,可以根据面向应用场景不同使用不同设计的内核,因此可以广泛用于嵌入式系统中,同时它高度节能的特性,目前各种移动设备中全都是它的身影。据统计,使用arm架构的芯片年出货量高达200亿片,随着物联网时代降临,对于低功耗性ARM芯片需求量会发生爆炸性增长。

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CISC、RISC之争

从上面得知,历史的长河里面,有过许许多多的CPU架构,它们之间的差异性非常大,经过时间、用户的检验,我们平常所接触到CPU架构也就剩X86和ARM两者,按照最核心的不同可以被分为两大类,即“复杂指令集”与“精简指令集”系统,也就是经常看到的“CISC”与“RISC”。

要了解X86和ARM CPU架构,就得先了解CISC复杂指令集和RISC精简指令集 ,因为它们第一个区别就是X86使用了复杂指令集(CISC),而后者使用精简指令集(RISC)。造成他们使用不同该指令集的原因在于,面向的设备、对象、性能要求是不一样。手机SoC普遍都是采用ARM提供的核心作为基础,依据自身需求改变SoC的核心架构,而ARM正正是RISC精简指令集的代表人物。CPU巨头Intel、AMD所采用的X86架构已经沿用了数十年,是CISC复杂指令集的典型代表。

CISC复杂指令系统就是为了增强原有指令的功能,设置更为复杂的新指令实现部分大量重复的软件功能的硬件化。由于早期的电脑主频低、运行速度慢,为了提高运算速度,不得已将更多的复杂指令加入到指令系统中来提高电脑的处理效率,慢慢形成以桌面电脑为首的复杂指令系统计算机。其指令集也是在不断更新增加当中,如Intel为X299平台上的处理器增加了AVX 512指令集,目的就是为了提高某一方面的性能。

虽然CISC可以实现高性能CPU设计,但是设计起来就相当麻烦了,要保持庞大硬件设计正确是一件不容易的事情,还要确保性能有所提升,不能开倒车,因此桌面CPU研发时间也慢慢地变长。这时候,以ARM为首的一些RISC精简指令系统计算机开始崭露头角了。

RISC可以说是从CISC中取其精华去其糟粕,简化指令功能,让指令的平均执行周期减少,达到提升计算机工作主频的目的,同时引入大量通用寄存器减少不必要的读写过程,提高子程序执行速度,这样一来程序运行时间缩短并且减少了寻址,提高了编译效率,最终达到高性能目的。

这两种指令集一直都在求同存异当中,都在追求在体系架构、操作运行、软硬件、编译时间以及运行时间等等诸多因素中做出某种平衡,以此达到当初所设计的高效运转目的。

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图片来自新浪博客

功耗上的限制

从CISC、RISC设计思路来看,大家不难发现,他们走的路根本不一样,前者专注于高性能方向,但带来高功耗,而后者专注于做低功耗的嵌入式,对于性能的最强不是太过强劲。因此我们也看到Intel、AMD他们擅长于设计性能超高的X86处理器,而高通、苹果依靠ARM IP授权设计出注重效能的SoC芯片。

就像我们以前所举的例子,Core i7-8086K可以轻易跑出95W功耗,但像高通骁龙845这种最顶级的SoC也不过是5W,只有其1/19,主要是手机尺寸越来越小,电池容量、能量密度发展跟不上,手机所用ARM内核只能是低功耗。

一般来说,处理器的功耗可以随着制造工艺的进步而降低,但近些年来,移动设备所采用的的SoC往往率先使用更小的纳米工艺制程,比方说骁龙845的10nm,虽然里面有取巧成分,但推进速度远远快于Intel的10nm工艺,加之SoC还会有对应的低功耗版本工艺,所以无论是设计上、还是工艺上的差别,都导致了ARM、X86功耗差异非常大。

大小核架构

从前的X86传统CPU,如果是四核或者是双核,内部的四个、两个个核心都是一模一样的,这样的话,由于一旦软件只能调度一个核心,处于高频工作,但由于架构限制,其余核心也要保持同样的高频率和高电压状态,这样就浪费了大量的能量在做无用功。后来就发展出了异步多核,允许不同核心工作在不同频率上,以此换来更低功耗。

由于移动设备更加在意功耗,所以ARM采用了更加激进的做法,八个核里面允许有不同Cortex-A架构核心,那就是著名的ARM bigLITTLE。这样的大小核设计目的很明确,就是在有限的电池容量中,兼顾性能、续航的需求,因此SoC内部的CPU是采用异构计算,既有高性能大核心,也有低功耗小核心。

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