現(xiàn)代處理器的主要指令集架構(gòu)

? ?現(xiàn)代處理器的主要指令集架構(gòu)（ISA）包括：x86指令集架構(gòu)、RISC指令集架構(gòu)。

CISC盡可能將任務(wù)一次性做完，高效但費腦（性能高、功耗大）；

RISC則是將任務(wù)拆解，分次做完，雖然對個人能力要求不高（性能低、功耗?。?，代價是效率更低。

其中，x86可以劃分為x86-32（英特爾）、x86-64（英特爾）、AMD64（AMD）等三種。RISC可以劃分為ARM、MIPS、Alpha、RISC-V。國產(chǎn)CPU在信創(chuàng)市場已形成“四種技術(shù)路徑（x86、ARM、MIPS、Alpha）、六大主要廠商（兆芯、海光、鯤鵬、飛騰、龍芯、申威）”的發(fā)展格局。

1、x86指令集

第一個方面，x86指令集為了保持二進制的兼容性，即：上一代芯片的應(yīng)用程序仍然能運行在下一代芯片中，使之前后系列的芯片成為一個“系列機”，擴展了許多新的指令，導(dǎo)致x86指令集的規(guī)模不斷膨脹。

第二個方面，x86指令集在設(shè)計時，采取了一種強指令的方式，即：一條指令可以完成非常強大的功能。例如，一條指令可以完成內(nèi)存不同位置的整個運算過程，或?qū)⒁粔K數(shù)據(jù)直接從內(nèi)存的一個位置移動到另一個位置，而且這種強大的操作是在1個時鐘周期內(nèi)完成的。

上圖列出了英特爾官方統(tǒng)計的指令數(shù)量變化。在將近40年的發(fā)展歷史中，x86由不足200條指令到今天超過1600條指令。

上圖列出了x86指令集的MOV指令種類，其可以跳過一系列底層的微操作，實現(xiàn)一個較為復(fù)雜的指令功能。

基于以上的設(shè)計理念，x86指令集有以下的優(yōu)點或缺點。注意，缺點也許是優(yōu)點，優(yōu)點也許是缺點，這是馬克思辯證唯物主義的思想。

由于需要兼容以往的歷史版本，x86的硬件設(shè)計復(fù)雜，這也成為了其歷史包袱。但是，塞翁失馬、焉知非福，二進制的兼容性獲得了IBM的強力支持，讓英特爾快速占領(lǐng)了PC和臺式機市場。

一條指令的功能很強，這降低了對編譯器的要求。另外，不需要考慮那么多的底層指令，早期的匯編程序員面對x86編程時也較為輕松。

多條高效率的指令并行，讓單個核的性能強大。早期的處理器，單核架構(gòu)足以滿足應(yīng)用需求。

必須要大量的冗余晶體管，以實現(xiàn)這種CISC復(fù)雜指令集設(shè)計。冗余的晶體管帶來了大量的面積和功耗開銷。

如今，x86指令集在筆記本、臺式機、服務(wù)器等場景取得了近乎壟斷的優(yōu)勢，和IBM有著緊密的聯(lián)系?？梢哉f，IBM的選擇成就了x86指令集的今天，并成就了英特爾這家曾經(jīng)名不見經(jīng)傳的小公司。

以上兩段文字引自technews、半導(dǎo)體行業(yè)觀察，其簡要描述了IBM早期的選擇及其巨大的市場成功。

2、ARM指令集

在上世紀(jì)80年代，計算機科學(xué)家們分析了大量的程序，發(fā)現(xiàn)80%的指令是很少用到的，處理器頻繁地使用20%的那部分指令，比如Load指令、條件分支指令、Store指令、比較指令。如下圖所示，該表格引自《計算機體系結(jié)構(gòu)：量化研究方法（第六版）》。作者是David Patterson、John Hennessy。

關(guān)于ARM深入知識，請參考文章“ARM處理器架構(gòu)和天梯圖解析”、“ARM v8處理器概述、架構(gòu)、及技術(shù)介紹”、“飛騰系和鯤鵬系：國產(chǎn)Arm架構(gòu)CPU服務(wù)器正在崛起”、“收藏：從全球超算戰(zhàn)略看ARM指令架構(gòu)在HPC領(lǐng)域的發(fā)展”、“亞馬遜最新Arm服務(wù)器芯片詳解”和“計算芯片變革：ARM取代x86成為趨勢”等。

因此，早期的RISC指令集、MIPS指令集應(yīng)運而生，它們砍掉了大量不常用的冗余指令，只保留了最基本、最常用、功能最簡單的指令集合。基于這種RISC指令集設(shè)計的處理器架構(gòu)代表是ARM架構(gòu)，為了便于不同客戶進行定制化修改，其每代均會推出以下三個授權(quán)版本：

Cortex-A內(nèi)核，面向高性能應(yīng)用。

Cortex-R內(nèi)核，面向?qū)崟r系統(tǒng)。

Cortex-M內(nèi)核，面向嵌入式設(shè)備場景。

相比于x86指令集（CISC復(fù)雜指令集），ARM這種RISC精簡指令集的變化主要是：

第一個方面，原來大量的冗余指令，以及由于歷史原因兼容的指令，都在統(tǒng)計結(jié)果的基礎(chǔ)上予以刪除。

第二個方面，原來的一條x86強指令，在ARM中被多條基本的簡單指令替代。

舉一個例子：CISC提供的乘法指令，調(diào)用時可完成內(nèi)存a和內(nèi)存b中的兩個數(shù)相乘，結(jié)果存入內(nèi)存a，需要多個CPU周期才可以完成；而RISC不提供“一站式”的乘法指令，需調(diào)用四條單CPU周期指令完成兩數(shù)相乘：內(nèi)存a加載到寄存器，內(nèi)存b加載到寄存器，兩個寄存器中數(shù)相乘，寄存器結(jié)果存入內(nèi)存a。

基于以上的設(shè)計理念，或者說，在這樣的底層邏輯下，ARM指令集的處理器架構(gòu)有如下優(yōu)點或缺點：

砍掉了大量的x86冗余硬件設(shè)計，使得DEC譯碼器的設(shè)計更加簡單，節(jié)省了大量的面積和功耗開銷。

一條ARM指令的功能更加單一和基本，這種指令相比于x86的強指令可以稱之為”弱指令“，執(zhí)行這樣的弱指令所需的功耗進一步降低。

由于原來一條x86強指令就可以搞定的事情，在ARM這里需要多條弱指令組合來做，大幅提高了編譯器的設(shè)計難度，同時提高了匯編語言編程的難度。

由于ARM指令集的處理器，相比于x86指令集的處理器，其在硬件結(jié)構(gòu)上更加簡單，因此，單個ARM核的面積和功耗更小，但是其性能也更弱小。這就導(dǎo)致了我們堆疊多個弱小的ARM核來打一個強大的x86核。

3、RISC-V指令集

RISC架構(gòu)隨后經(jīng)歷了RISC-I（1981）、RISC-II（1983）、RISC-III（1984）到RISC-IV（1988）四代，卻始終未能得到重視。但在這個過程中，RISC的設(shè)計理念催生一系列新架構(gòu)如MIPS、IBM PowerPC以及現(xiàn)在統(tǒng)治移動邊緣端的ARM。

關(guān)于RISC-V深入知識，請參考文章“RISC-V科普：理解開源ISA架構(gòu)”、“玄鐵RISC-V處理器入門及實踐”、“開放指令集與開源芯片發(fā)展報告（RISC-V和MPIS）”、“關(guān)于RISC-V和開源處理器誤區(qū)解讀”、“深度：RISC-V指令集架構(gòu)和全球落地”、“深度：RISC-V技術(shù)和指令集架構(gòu)”和“深度報告：RISC-V架構(gòu)分析（50頁PPT)”。

21世紀(jì)初期，受當(dāng)時開源運動在操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件領(lǐng)域取得了巨大成功（如Linux等）的影響，為開源芯片設(shè)計帶來了嶄新的前景。

大家認為，RISC-V有望創(chuàng)造繼x86、Arm之后的第三波芯片浪潮。RISC-V的靈活性，對定制化、碎片化場景的支撐力度良好，因此目前主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)等終端領(lǐng)域，但在電腦、服務(wù)器等領(lǐng)域也已經(jīng)有了一些嘗試。國內(nèi)RISC-V發(fā)展重要事件有：

2018 年9 月 中國RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟宣布成立。

2018 年11 月 中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)盟宣布成立，由倪光南院士擔(dān)任聯(lián)盟理事長。

2018 年11月 RISC-V 基金會中國顧問委員會宣布成立。

2019 年7月 阿里巴巴平頭哥發(fā)布高性能玄鐵910 RISC-V 處理器。

2019 年8月 兆易創(chuàng)新發(fā)布全球首個基于RISC-V 內(nèi)核32 位通用MCU。

2020 年3月 基金會總部從美國搬遷到瑞士，宣稱是規(guī)避政治風(fēng)險。

2023年8 月，RISC-V中國峰會在京開幕，中國工程院院士倪光南、RISC-V國際基金會CEO 卡莉斯塔·雷德蒙德等出席峰會。

2023年11月，阿里平頭哥推出了三款基于RISC-V架構(gòu)的玄鐵系列處理器，即將大規(guī)模商用。

4、指令集總結(jié)

這兩種指令集之間的關(guān)系就好比是兩種不同的烹飪風(fēng)格。有些廚房可能更偏向于復(fù)雜多樣的烹飪方式，而有些廚房則更喜歡簡單高效的烹飪方式。同樣地，CPU的設(shè)計者可以根據(jù)不同的需求選擇使用CISC或者RISC指令集來設(shè)計CPU，以滿足不同的應(yīng)用場景和性能要求。

x86架構(gòu)：封閉架構(gòu)，由英特爾和AMD牢牢掌握話語權(quán)，AMD給HG授權(quán)zen1架構(gòu)；VIA（臺灣威盛）曾獲得x86架構(gòu)Licence授權(quán)，后來被Z芯收購；20多年來沒有第四家授權(quán)，其他芯片公司想用也用不了。

主流架構(gòu)，生態(tài)好，由于被Intel和AMD壟斷導(dǎo)致封閉狀態(tài)，影響了國產(chǎn)x86 CPU廠商的創(chuàng)新進程，目前仍然主要處于“消化、吸收”與“小創(chuàng)新”階段，但其優(yōu)勢在于能兼容Wintel等原有x86生態(tài)；

Arm架構(gòu)：開放架構(gòu)，雖然由Arm公司所有，但授權(quán)開放，需要花錢購買。目前，H為和F騰擁有ARM v8架構(gòu)永久性授權(quán)；阿里平頭哥、中興等國內(nèi)廠商購買了ARM v9 架構(gòu)IP授權(quán)。

主流架構(gòu)，生態(tài)較好，由于開放授權(quán)的商業(yè)授權(quán)模式，使得國產(chǎn)ARM CPU廠商能夠進行更大程度的創(chuàng)新，使得更自主，但需要付出昂貴的授權(quán)費。至于是否發(fā)展中國自主的ARM v9指令集（進入自主創(chuàng)新階段），目前無法知悉，但考量因素肯定與生態(tài)有關(guān)，可能還沒有到跟國際ARM生態(tài)“脫鉤”階段，畢竟ARM生態(tài)在快速追趕x86。

MIPS架構(gòu)：開放架構(gòu)，目前已開放了MIPS指令集的R6版本，以Wave Computing管理，但也難挽頹勢，最后宣布終止開發(fā)，加入RISC-V基金會。LX前期基于MIPS架構(gòu)授權(quán)研發(fā)，后衍生出LoongArch自主架構(gòu)。

小眾架構(gòu)，生態(tài)弱，加上Wave Computing母公司“叛變”加入RISC-V基金會，國產(chǎn)CPU廠商不得不踏上“自主創(chuàng)新”階段，直接犧牲掉MIPS原本就單薄的生態(tài)。自主創(chuàng)新固然難得可貴，但是需要重新構(gòu)建自主生態(tài)，可謂是“任重道遠”。

Alpha架構(gòu)：開放架構(gòu)，目前已經(jīng)無實體主張該指令集的權(quán)利，但相關(guān)專利已被HP、Intel等瓜分。申W前期基于Alpha架構(gòu)，后衍生出SW64自主架構(gòu)。

小眾架構(gòu)，生態(tài)弱，加上很早就沒“媽”了（無實體公司運營），所以國產(chǎn)CPU廠商選擇“自主創(chuàng)新”，自然是順理成章！自主創(chuàng)新固然難得可貴，但是單薄的生態(tài)，注定只能在小眾市場進行落地。

RISC-V架構(gòu)：開源架構(gòu)，最特殊，不屬于任何機構(gòu)或國家，開源免費，想用就用，運營成本全靠基金會的兄弟們幫襯。由阿里平頭哥主導(dǎo)，越來越多的創(chuàng)業(yè)公司加入RISC-V架構(gòu)陣營。

審核編輯：湯梓紅