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處理器是什么

處理器，其實全稱應(yīng)該是中央處理單元——Central Processing Unit（簡稱CPU），它是電腦最為核心的部件，功能主要是解釋并翻譯電腦的指令指令，處理軟件運行時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)（圖2）。在1970年以前，處理器其實是由多個獨立單元構(gòu)成的，比如整數(shù)運算單元、浮點運算單元、寄存器。后來隨著大規(guī)模集成電路制造技術(shù)的發(fā)展，處理器各單元部件可以合并起來，這種高度收縮后的產(chǎn)物就是微處理器，這也就解釋了為什么電腦早期被稱作“微型計算機”。

處理器最核心的三個部分是運算器、控制器、寄存器三部分，GPU圖形處理器并不算在內(nèi)。一如其名，運算單元負(fù)責(zé)計算，控制器則負(fù)責(zé)發(fā)出處理器每條指令所需要的信息，寄存器相當(dāng)于一個臨時中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)將運算的結(jié)果或者發(fā)出的指令暫存再傳遞給下一個工序（如內(nèi)存、硬盤），這樣可以保證更高的運算速度。

那么，處理器在計算的時候，又是如何工作的呢？這就要從處理器的構(gòu)架談起了。

什么是處理器構(gòu)架？

（微型）處理器的開端并不是像今天這樣X86、ARM為主，實際上是百花齊放，還有MIPS和IA64等等很多架構(gòu)、指令集，它們之間的差異非常之大。當(dāng)然我們今天說的X86，實際上也已經(jīng)是X86的衍生構(gòu)架X86-64，即64bit extended（64位元擴展架構(gòu)）。

我們將這些構(gòu)架往后放放，先從最基本的邏輯角度分類。它們統(tǒng)歸兩大類，分別為“復(fù)雜指令集”和“精簡指令集”，也就是“CISC”與“RISC”（圖3）。如果現(xiàn)在就做個總結(jié)，X86屬于復(fù)雜指令集產(chǎn)物，ARM則屬于精簡指令集產(chǎn)物。

復(fù)雜指令集，即Complex Instruction SetComputers，究竟什么是“復(fù)雜指令集”呢？我們直白一點來解讀：以最簡單的乘法計算指令為例，當(dāng)計算時，復(fù)雜指令集會調(diào)用內(nèi)存A和內(nèi)存B中的兩個數(shù)據(jù)相乘，然后將結(jié)果存儲至內(nèi)存A中（圖4），當(dāng)然，這需要多個處理器的時鐘周期才可以完成，也就是我們所說的IPC（每周期指令，instructions per cycle）。

精簡指令集，即Reduced Instruction SetComputers，和復(fù)雜指令集的差異在于，同樣的乘法指令，精簡指令集在執(zhí)行計算的時候，需調(diào)用四個處理器周期指令完成乘法的計算，即分別將內(nèi)存A數(shù)據(jù)加載到寄存器，內(nèi)存B數(shù)據(jù)加載到寄存器之中，然后調(diào)用兩個寄存器中的數(shù)據(jù)進行乘法計算，寄存結(jié)果最終存入內(nèi)存A。另外RISC架構(gòu)的設(shè)備通常也比較簡潔，這也是可以用來識別的一個特色（圖5）。

這兩種方式最大的差異是，復(fù)雜指令集對單多數(shù)指令使用率低卻增加了處理器的復(fù)雜度，指令是可變長格式，而精簡指令集多為單周期指令，指令長度是固定的，操作寄存器時至需要讀取、存儲的操作即可。一個微程序包含若干條微指令（也稱微碼），執(zhí)行復(fù)雜指令時實際上相當(dāng)于運行一個微小的程序。正因如此，同樣一個計算指令，復(fù)雜指令集一旦開始就必須執(zhí)行完畢才可以，而精簡指令集可以隨時“叫停”，打斷計算過程（圖6）。

其實，最初只有復(fù)雜指令集，但是隨著時間推移，處理器的設(shè)計越發(fā)復(fù)雜，更多的運算指令被放入構(gòu)架里，比如最初的X86處理器構(gòu)架只有基本的整數(shù)運算指令和浮點運算指令，但是經(jīng)過長期發(fā)展，各種擴展指令集應(yīng)運而生：例如MMX、SSE、AVX等等，這些擴展指令集是為特定的應(yīng)用而生。但是，越來越多的指令也讓處理器的功耗節(jié)節(jié)攀升（圖7）。

如果說功耗還是可以接受或者可以改善的事情，那么，“無效功能設(shè)計”就是一個更令人頭疼的問題了——在復(fù)雜指令集的處理器中（尤其是現(xiàn)在X 86構(gòu)架處理器），只有20%左右的指令會經(jīng)常性調(diào)用，大部分指令集只不過是“待命狀態(tài)”，很多硬件資源實際是被閑置的（圖8）。

而精簡指令集的特點就是針對復(fù)雜指令集設(shè)計的，指令集越少、越精為宜，尤其是常用的計算指令，更多的衍生指令則可以依靠這些基礎(chǔ)指令組合來執(zhí)行，這樣的好處就是功耗有效降低，指令執(zhí)行更為簡化。不過隨著時間的推移、尤其是現(xiàn)在以ARM為代表的精簡指令集處理器功能越發(fā)強大，其指令設(shè)計也越發(fā)復(fù)雜（圖9），二者的區(qū)別與界限也開始有了一定程度的重疊。

如果要用一句話來總結(jié)，復(fù)雜指令集的指令集非常豐富，重點在于“軟件硬件化”，對于軟件開發(fā)者非常友善，但硬件的設(shè)計過于復(fù)雜;而精簡指令集正好相反，屬于“硬件軟化”，編譯器等軟件的設(shè)計要求較高，編譯后的程序體積也比較大，但是處理器的開發(fā)難度大為降低，成本自然也要低廉許多（相對于復(fù)雜指令集的處理器產(chǎn)品）。

目前，復(fù)雜指令集的處理器代表，主要是X86（X86-64）構(gòu)架，如英特爾和AMD主要處理器產(chǎn)品的構(gòu)架、我國的兆芯，以及已經(jīng)消失或走出主流的Cyrix、VIA、IDT等公司的全部或部分處理器架構(gòu);而精簡指令集則更為龐雜，典型構(gòu)架包括DEC Alpha、ARC、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、RISC-V、PowerArchitecture（PowerPC）和SPARC（部分未延續(xù)至當(dāng)前）等等。

復(fù)雜還是精簡？這些你知道嗎？

1復(fù)雜指令集代表隊

剛剛筆者提到，復(fù)雜指令集目前的代表主要集中在X86構(gòu)架上，實際上，早先還有兩個類別的復(fù)雜指令集構(gòu)架，只不過他們在競爭的大潮下因為各種各樣的原因停止了前進的步伐。比如DEC用于同名計算機的PDP-11處理器（圖10），這個在16位處理器時代的天之驕子沒有跟上時代的步伐（當(dāng)時英特爾的X86構(gòu)架也處于起步階段）;再如著名的Motorola 68000（圖11），它是一款16/32位處理器，明顯比PDP-11（當(dāng)然也吸取了很多PDP-11構(gòu)架的優(yōu)點）要先進不少，不過它的誕生要比英特爾的8086晚了兩年。

X86是英特爾、AMD乃至VIA采用的復(fù)雜指令集構(gòu)架，后期英特爾為了在64位上先人一步，推出了并不兼容X86的IA-64構(gòu)架（由英特爾和HP共同開發(fā)設(shè)計），同樣也是復(fù)雜指令集下的產(chǎn)物。只不過，步伐邁得太大了——IA-64并不兼容X86的32位，只能靠模擬器的方式執(zhí)行32位程序，因此只在安騰（Itanium處理器）上使用（圖12）。

現(xiàn)在通常講的X86，其實準(zhǔn)確的稱呼應(yīng)該是X86-64，它是基于X86架構(gòu)的64位拓展，且兼容于16位及32位的X86架構(gòu)。X64于1999年由AMD設(shè)計，AMD首次公開64位集以擴展給X86，稱為“AMD64”，用于K8處理器（圖13）。其后英特爾也開發(fā)了自己基于X86的64位的指令集——英特爾 64，只是在微軟的壓力下，基本上是完全兼容AMD64的。

甚至包括VIA也推出過X86-64構(gòu)架，實際上它們都大同小異?，F(xiàn)如今，我們只是習(xí)慣性的把各家的X86-64構(gòu)架統(tǒng)一簡稱為X86了，而它們依然都是屬于復(fù)雜指令集下的產(chǎn)物。

2精簡指令集代表隊

現(xiàn)在來看看精簡指令集的家族，相比于復(fù)雜指令集，精簡指令集下的各種構(gòu)架著實讓人眼花繚亂，它們各有各的特點，我們不妨一起來看看。

● DEC Alpha

DEC Alpha（圖14），或者稱之為Alpha AXP，這是一種基于精簡指令集的64位處理器構(gòu)架。最初是由大名鼎鼎的DEC公司制造，并且用于自家的工作站和服務(wù)器中。一般而言，很少有微軟的操作系統(tǒng)支持X86之外的處理器構(gòu)架，但是這款DEC Alpha可不一般——微軟為DEC Alpha提供了支持，從Windows NT 4.0SP6開始直至Windows 2000 Beta3才放棄。

之所以放棄，是因為DEC Alpha命運多舛，1998年，康柏收購了DEC公司，命運按理應(yīng)該交由康柏。然而同一年，康柏將DEC Alpha賣給了英特爾，而且康柏自身也在這個時期被惠普收購。由此，DEC Alpha想要繼續(xù)發(fā)展顯然不現(xiàn)實，雖然一直持續(xù)開發(fā)，但是支持越來越少，2004年DEC Alpha被徹底放棄，走入歷史。

● SPARC

SPARC的全稱為可擴展處理器架構(gòu)（ScalableProcessor ARChitecture），它也是歸屬于精簡指令集架構(gòu)的產(chǎn)品，由SUN公司于1985年設(shè)計（圖15）。SPARC為了能夠擴展生態(tài)，開放了自己的構(gòu)架標(biāo)準(zhǔn)，授權(quán)了很多企業(yè)一同開發(fā)，例如德州儀器、Cypress半導(dǎo)體、富士通等等。

SPARC的誕生，歸根結(jié)底是為了SUN公司的工作站使用（包括服務(wù)器），與之配套的系統(tǒng)Solaris也是為SPARC而生。除此之外，包括NeXTSTEP、Linux、FreeBSD、OpenBSD及NetBSD系統(tǒng)也提供有SPARC的專用版本。

但是，因為應(yīng)用領(lǐng)域過窄，SPARC構(gòu)架在2017年9月1日被甲骨文公司（SUN被甲骨文收購）停止開發(fā)。

● MIPS

當(dāng)前在精簡指令集領(lǐng)域，ARM構(gòu)架無疑是最成功的，但是還有一個構(gòu)架也極具競爭力，它就是M I P S。1981年，斯坦福大學(xué)教授約翰·軒尼詩領(lǐng)導(dǎo)他的團隊研發(fā)出第一個MIPS架構(gòu)的處理器（圖16）。MIPS的意思是“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器”（Microprocessor without interlocked piped stages），其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。

不得不說MIPS在當(dāng)時非常先進，它的出現(xiàn)極大的影響了其他精簡指令集構(gòu)架，在2010年前后其發(fā)展提速明顯，比如在傳統(tǒng)的整數(shù)浮點應(yīng)用指令基礎(chǔ)上逐步增加了多線程、DSP模塊、SIMD模塊以及虛擬化模塊。這也與移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅速發(fā)展時間相吻合，隨著應(yīng)用需求變化，MIPS指令集以及架構(gòu)也在迅速發(fā)展。只不過它的競爭力始終差A(yù)RM一點，MIPS多數(shù)的歸屬是工控領(lǐng)域、嵌入式領(lǐng)域。

時間來到2021年，MIPS的最終一曲上演，MIPS的構(gòu)架將不再繼續(xù)開發(fā)，主要力量投入到了RISC-V的開發(fā)中，一代英豪就此落幕。

● ARM

ARM的全稱為高級精簡指令集機器（Advanced RISCMachine，最早被稱之為艾康精簡指令集機器，Acorn RISCMachine），早期的ARM構(gòu)架處理器廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計（圖17），而且由于它具備良好的節(jié)能特性，也在其他領(lǐng)域大有作為——比如我們現(xiàn)在的移動通訊領(lǐng)域，已經(jīng)完全是ARM構(gòu)架的天下了。畢竟，它兼具低成本、高性能、低耗電的特性，這是其他構(gòu)架無法提供的。

從2005年開始，全世界98%的智能手機和平板電腦（圖18）、90%以上的硬盤驅(qū)動器，40%以上的數(shù)字電視機頂盒，15%的微控制器以及20%的移動電腦，都是基于ARM架構(gòu)的產(chǎn)物。

大家都知道蘋果2020年推出M1芯片并應(yīng)用到電腦設(shè)備上，而且性能極為強大。殊不知這不是蘋果第一次嘗試ARM架構(gòu)的產(chǎn)品應(yīng)用于電腦產(chǎn)品上。在1980年代晚期，蘋果電腦就和艾康電腦（ARM構(gòu)架的擁有者）合作開發(fā)新版的ARM核心。甚至由于這個項目的重要性，艾康電腦在1990年將其設(shè)計團隊單獨成立了一個名為安謀國際科技（Advanced RISC MachinesLtd.）的新公司。這也解釋了為什么ARM會被解讀成AdvancedRISC Machine的根本原因。

不止如此，復(fù)雜指令集的代表者，X86構(gòu)架的最重要成員英特爾，早年也擁有基于ARM架構(gòu)的處理器產(chǎn)品：XScale處理器（圖19）。它是英特爾公司始于ARM v5TE處理器發(fā)展的產(chǎn)品，前身為StrongARM，性能功耗比十分優(yōu)秀，諸多PDA（掌上電腦）和基于Windows Mobile的手機都是采用XScale處理器的。

只不過，英特爾最終犯了戰(zhàn)略性錯誤，固執(zhí)的認(rèn)為復(fù)雜指令集的X86構(gòu)架經(jīng)過改良設(shè)計一樣可以用于移動端，同時為了減輕開發(fā)負(fù)擔(dān)（主要是成本），最終將其出售給了Marvell公司，至此英特爾也錯過了后來智能移動設(shè)備大爆發(fā)的機會。

3第五代精簡指令集

復(fù)雜指令集和精簡指令集本質(zhì)上是有專利壁壘的，想要開發(fā)一個處理器構(gòu)架，有些專利是不可能繞開的。這就催生了另一個構(gòu)架：RISC-V（圖20），一個基于精簡指令集的開源指令集架構(gòu)（ISA），也就與開源軟件相對應(yīng)的一種“開源硬件”。與其他指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計、制造和銷售RISC-V芯片、軟件，而不必支付給任何公司專利費。注意，RSIC-V基金會中的V并非是英文字母“V”，而是羅馬字母“5”，意為第五代精簡指令集。

⒇

（21）

目前，RISC-V的前景最被看好，而且已經(jīng)開始逐漸實用化，包括嵌入式系統(tǒng)，移動設(shè)備等，都有RISC-V指令集的身影。而且令人振奮的是，RISC-V的最高級會員中有多達(dá)10家是中國廠商，包括阿里巴巴（平頭哥）、晶芯科技、成為資本、華為、ICT（中科院計算所）、ISVCAS（中科院軟件所）、ZTE（中興通訊）、賽昉科技、UNISOC（紫光展銳）、希姆計算，陣容十分強大。

ARM、X86 殊途同歸？

不得不說，移動時代，精簡指令集的代表ARM構(gòu)架處理器和復(fù)雜指令集的代表X86構(gòu)架處理器越發(fā)趨同，它們在互相借鑒之中不斷進步，這二者的界限已經(jīng)開始變得模糊起來了。

1制程工藝

ARM構(gòu)架處理器的制程工藝要領(lǐng)先X86構(gòu)架處理器至少一代以上，根本原因在于ARM構(gòu)架處理器大多的應(yīng)用設(shè)備體積有限，芯片必須采用更為先進的制程工藝才能滿足功耗、性能的平衡。目前，ARM構(gòu)架處理器普遍使用5nm至7nm制程工藝制造，這樣才可以裝進手機、平板電腦這一類空間極為有限的設(shè)備中;而X86構(gòu)架處理器一般都應(yīng)用在筆記本電腦、臺式機電腦上，功耗和散熱的要求相比要“低”不少，一般而言7nm至10nm，甚至1xnm的制程工藝就可以應(yīng)對了。

2異構(gòu)計算

ARM架構(gòu)處理器的異構(gòu)計算曾經(jīng)是一大殺手锏，性能核與功效核這樣的big.LITTLE架構(gòu)（圖21）設(shè)計很好的兼顧了耗電、性能之間的平衡。比如當(dāng)手機常規(guī)運行時，只需要低功耗的小核心運行即可保證，當(dāng)你運行一款復(fù)雜的游戲時，性能核心將全力工作。

但是，異構(gòu)計算大小核的設(shè)計現(xiàn)在已經(jīng)不是ARM構(gòu)架處理器的獨有技術(shù)了，包括英特爾在內(nèi)的X86處理器廠商也開始使用了這種異構(gòu)設(shè)計思路，例如最新的12代酷睿處理器，也同樣分為性能核與功耗核，用以應(yīng)對不同使用場景?？梢姡S著技術(shù)的發(fā)展，二者的界限正在變得模糊。

3性能和耗電

隨著搭載M1芯片的蘋果筆記本電腦上市，仿佛ARM構(gòu)架處理器的絕對性能已經(jīng)和X86構(gòu)架處理器平起平坐了，實際上并非如此。M1處理器的獨特之處在于片上緩存，這個獨特的設(shè)計極大的提升了數(shù)據(jù)的傳輸速度，另一方面，蘋果有針對性的對特定應(yīng)用方向進行了深度優(yōu)化設(shè)計。用一個不太恰當(dāng)?shù)闹卑捉忉屖?，M1處理器的定向優(yōu)化能力非常優(yōu)秀，這也讓搭載了M1處理器的蘋果筆記本電腦在部分應(yīng)用上表現(xiàn)甚至可以與X86構(gòu)架的旗艦處理器一較高低（圖22），當(dāng)然，這也和macOS與Windows操作系統(tǒng)對硬件資源調(diào)用的邏輯差異有關(guān)系。但是在沒有被“定向優(yōu)化”到地方，表現(xiàn)自然不可能與X86構(gòu)架處理器相提并論。

然而，在更為復(fù)雜的應(yīng)用上，X86構(gòu)架處理器的優(yōu)勢短時間內(nèi)是無可取代的。最關(guān)鍵的一點在于ARM架構(gòu)處理器的亂序執(zhí)行能力遠(yuǎn)不及X86架構(gòu)處理器。比如電腦在操作的時候多是隨機且不可預(yù)測的，X86構(gòu)架處理器在這方面就加強了亂序指令執(zhí)行的能力，而且，X86構(gòu)架還有一個特點就是單核心雙線程的設(shè)計，讓其在處理亂序指令的時候效率更高。但是，這樣的缺點也顯而易見，那就是隨時都要準(zhǔn)備著應(yīng)對亂序指令的執(zhí)行，因此它的耗電量也比較大（圖23）。

而ARM構(gòu)架處理器在執(zhí)行確定次序的執(zhí)行指令，例如前后幀關(guān)聯(lián)明顯的視頻處理時效率很高，而且可以更好地進行多核心協(xié)同處理而不是依靠單一線程來執(zhí)行，可以快速將不需要的處理線程轉(zhuǎn)入“待機”模式，耗電自然就更少。比如說手機使用的ARM處理器芯片和用于電腦的M1芯片，一般都是片上系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（SOC），也就是一塊芯片上集成了多個功能模塊（圖24）。這些模塊哪一個功做哪一個不工作？對于移動端設(shè)備來說很好判斷，通過軟件層就可以實現(xiàn)對它們單獨控制，由此，時下不需要工作的模塊大可以“關(guān)閉”讓其待命，自然耗電就少了許多。

（24）

未來，是ARM還是X86的？

這是一個老生常談的問題，短期來看，ARM構(gòu)架處理器將在移動端繼續(xù)保持優(yōu)勢地位，而在筆記本電腦和臺式機電腦，乃至服務(wù)器端，X86構(gòu)架處理器依舊是不可替代的存在;而從中期來看，ARM構(gòu)架處理器和X86構(gòu)架處理器在設(shè)計上會進一步趨同，相似的設(shè)計會越來越多，某種程度的融合不可避免;長期來看，ARM構(gòu)架處理器的地位有可能被沒有專利壁壘的RISC-V構(gòu)架處理器替代，并且后者與X86構(gòu)架處理器的差異進一步融合。但是，兩種指令集下的產(chǎn)物，依舊會有一條清晰的界限。