處理器知識：RISC和CISC架構(gòu)分析對比

嵌入式ARM 2019-11-18 14:57

AI重塑EDA設(shè)計流程｜2026芯片研發(fā)效率革命，來這里找答案… 測試中斷？接觸漂移？5 道題找到根因

來源：EETOP

CISC(復(fù)雜指令集計算機)和RISC(精簡指令集計算機)是當(dāng)前CPU的兩種架構(gòu)。它們的區(qū)別在于不同的CPU設(shè)計理念和方法。早期的CPU全部是CISC架構(gòu)，它的設(shè)計目的是 CISC要用最少的機器語言指令來完成所需的計算任務(wù)。

RISC和CISC是設(shè)計制造微處理器的兩種典型技術(shù)，雖然它們都是試圖在體系結(jié)構(gòu)、操作運行、軟件硬件、編譯時間和運行時間等諸多因素中做出某種平衡，以求達到高效的目的，但采用的方法不同，因此，在很多方面差異很大。x86架構(gòu)采用CISC，而ARM采用RISC。

ARM成立于1991年，是一家出售IP（技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)）的公司，所謂的技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)，就有點像是賣房屋的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖，至于要怎修改，哪邊開窗戶，以及要怎加蓋其它的花園，就看買了設(shè)計圖的廠商自己決定。

而ARM的架構(gòu)是采用RISC架構(gòu)，如同它的名稱一樣，Advanced RISC Machines，RISC架構(gòu)在當(dāng)初的PC架構(gòu)爭霸戰(zhàn)雖然敗給Intel所主導(dǎo)的x86處理器架構(gòu)，卻默默在另外的領(lǐng)域成長壯大；小從硬盤轉(zhuǎn)速控制、電信基地臺的計算、汽車噴射引擎的控制、音響系統(tǒng)、相機引擎，大到電動機具的控制等等，都能夠看見采用ARM授權(quán)架構(gòu)處理器的身影。

而有了設(shè)計圖，當(dāng)然還要有把設(shè)計圖實現(xiàn)的廠商，而這些就是ARM架構(gòu)的授權(quán)客戶群。包括：高通、華為、聯(lián)發(fā)科、TI、Freescale等。

X86是英特爾Intel首先開發(fā)制造的一種微處理器體系結(jié)構(gòu)的泛稱，包括Intel8086、80186、80286、80386以及80486以86結(jié)尾系列，英特爾統(tǒng)治整個CPU產(chǎn)業(yè)鏈長達數(shù)十年。但是，Intel以增加處理器本身復(fù)雜度作為代價，去換取更高的性能，但集成的指令集數(shù)量越來越多，給硬件帶來的負荷也就越來越大，無形中增加了功耗和設(shè)計難度。

ARM（Advanced RISC Machines）公司是蘋果、Acorn、VLSI、Technology等公司的合資企業(yè)。ARM采用將芯片的設(shè)計方案授權(quán)（licensing）給其他公司生產(chǎn)的模式，在世界范圍結(jié)成了超過100個的合作伙伴（Partners），將封閉設(shè)計的Intel公司變成全民公敵。

ARM處理器非常適用于移動通信領(lǐng)域，具有低成本、高性能和低耗電的特性，ARM的高性價比和低耗能在移動市場比英特爾更具優(yōu)勢。

ARM的架構(gòu)相較于x86有哪些特點？相較于基于CISC的x86架構(gòu)處理器，由于為了滿足電腦產(chǎn)業(yè)發(fā)展而不斷加入指令集，使得處理器日益龐大，但每個指令集用到的頻率也越差越大，許多指令到后來已經(jīng)相當(dāng)少用，甚至是可以被新的指令所取代。而ARM架構(gòu)則大幅簡化架構(gòu)，僅保留所需要的指令，可以讓整個處理器更為簡化，擁有小體積、高效能的特性。

另外，ARM的架構(gòu)老早就已經(jīng)作到高密度整合，由于ARM授權(quán)的彈性以及核心架構(gòu)單純，ARM處理器架構(gòu)可以很容易與其它專職的特殊核心，像是GPU、多媒體譯碼核心、基頻調(diào)制解調(diào)器、I/O控制等架構(gòu)整合，透過SoC（System On a Chip，系統(tǒng)單芯片）的方式，一顆小小的ARM架構(gòu)應(yīng)用處理器，完成近年x86架構(gòu)處理器積極跨足的單芯片設(shè)計，并且透過各種不同的核心分工各司其職，ARM架構(gòu)應(yīng)用處理器的核心負擔(dān)相較傳統(tǒng)x86處理器低上許多，并且因為早前應(yīng)用處理器的需求就是以低功耗為重點，即便如今效能不斷提升，仍是以保有省電的特性為前提發(fā)展。

ARM架構(gòu)的另一個優(yōu)點，就是自由性，只要像ARM買下核心授權(quán)，就可以與其它IP公司的方案以及這家授權(quán)客戶本身的優(yōu)勢技術(shù)整合，雖同為同一世代的ARM核心架構(gòu)，即便頻率相同，結(jié)果也不同。不過這也使得ARM應(yīng)用處理器光從基本規(guī)格是不一定能看出操作效能的，例如同樣隸屬高通Snapdragon，頻率1GHz的第一世代旗艦QSD8x50甚至不敵頻率僅800MHz的第二世代MSM7230。

ARM的架構(gòu)之所以在智能手機以及平板能夠迅速竄紅，蘋果iOS裝置可說是大功臣，在蘋果之前，智能手機在市場上一直載浮載沉，雖然有著號稱智能手機平臺市占率第一的Nokia Symbian，以及Windows Mobile、Palm OS、BlackBerry等系統(tǒng)，不過當(dāng)時的環(huán)境在缺乏行動網(wǎng)絡(luò)為后盾，在線商店的概念也還未發(fā)展成型；一直到蘋果以iPhone打響新世代智能手機第一炮后，市場才真正體認到智能手機原來可以是這么容易使用。

iPhone的出現(xiàn)也間接帶起市場對于ARM架構(gòu)應(yīng)用處理器的需求，不過光是蘋果也無法帶起市場對于ARM處理器的需求，如WM（WP7)手機與Symbian也紛紛加入新一代智能手機戰(zhàn)局，但是真正成為關(guān)鍵的，是Google Android宣布參戰(zhàn)后，其它手機廠商取得一個相較過去成熟的通用智能手機平臺，而各廠商又為了進行產(chǎn)品差異化，開始針對ARM架構(gòu)應(yīng)用處理器的效能以及硬件支持要求，使得過去發(fā)展緩速的ARM架構(gòu)一下子熱絡(luò)起來，也讓ARM架構(gòu)一夕之間成為火熱話題。

GOOGLE的Android系統(tǒng)和蘋果的IPAD、IPHONE推出后，ARM架構(gòu)的電腦系統(tǒng)（特別是在終端方面應(yīng)用）受到用戶的廣泛支持和追捧，ARM+Android成為IT、通信領(lǐng)域最熱門的話題，眾多芯片廠商紛紛推出具有各種獨特應(yīng)用功能基于ARM結(jié)構(gòu)開發(fā)的產(chǎn)品，近期最新形成的“異構(gòu)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(gòu)的系統(tǒng)與X86架構(gòu)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(jié)構(gòu)的電腦無論如何都比ARM結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(wù)相對固定的應(yīng)用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致。

二、擴展能力

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

ARM結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，一般不考慮擴展。基本奉行“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(gòu)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(xí)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(biāo)準(zhǔn)，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(gòu)建自己的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導(dǎo)致其應(yīng)用軟件不能方便移植，這一點一直嚴(yán)重制約了ARM系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。

Google開發(fā)了開放式的Android系統(tǒng)后，統(tǒng)一了ARM結(jié)構(gòu)電腦的操作系統(tǒng)，使新推出基于ARM結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)論是：基于x86結(jié)構(gòu)電腦系統(tǒng)平臺開發(fā)軟件比arm結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)用特別是手持終端應(yīng)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(jié)構(gòu)的電腦銷售數(shù)量，可見ARM是具有其與X86結(jié)構(gòu)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(yīng)各種應(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu)的電腦就無法相比。

ARM的設(shè)計及發(fā)展思路是：滿足某個特殊方面的應(yīng)用即可，在某一專項領(lǐng)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(shù)，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(yīng)用方面則是最好的，特別是在眾多終端應(yīng)用，尤其在移動終端應(yīng)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(dǎo)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(lǐng)域方面的應(yīng)用，他們之間根本不存在替換性，在服務(wù)器、工作站以及其他高性能運算等應(yīng)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(wù)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(lǐng)域，X86的功耗更使他英雄毫無用武之地。

但在很多的應(yīng)用終端領(lǐng)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域進行對比、分析。這類型的應(yīng)用一定是終端應(yīng)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(yīng)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(yīng)用數(shù)量，但數(shù)量不是很大。

這部分的應(yīng)用領(lǐng)域傳統(tǒng)上是由X86結(jié)構(gòu)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(lǐng)（低功耗）終端應(yīng)用領(lǐng)域的趨勢。我們在考慮這種應(yīng)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(yīng)用需求時，建議盡可能可慮采用ARM結(jié)構(gòu)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(yīng)用特點為標(biāo)準(zhǔn)進行分析。

2、應(yīng)用數(shù)量：

如果您的應(yīng)用數(shù)量太少，您可能根本不值得獨立開發(fā)一套應(yīng)用系統(tǒng)，但如果您的應(yīng)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(yīng)用，應(yīng)該可以分?jǐn)偟糸_發(fā)成本。

如果選用X86結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，根本不應(yīng)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(yán)重制約了Arm的應(yīng)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(yīng)用軟件的兼容，大大擴大了ARM應(yīng)用軟件的的數(shù)量同時擴大了其應(yīng)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(shè)備（或器件）的存在，有制約了產(chǎn)品的體積，對某些場合的應(yīng)用構(gòu)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(fēng)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(shè)備中運行，就可以在另一臺基于同樣系統(tǒng)的設(shè)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(dāng)經(jīng)驗的工程師，而且還有BIOS等設(shè)計，所以X86主板的設(shè)計費用會比較高，通常要二三十萬。

7、硬件的制造及應(yīng)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(gòu)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(yīng)用成本比ARM高得多。

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