【轉(zhuǎn)】arm和x86的區(qū)別

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信不信，隨便逮住一個(gè)人問他知不知道CPU，我想他的答案一定會(huì)是肯定的，但是如果你再問他知道ARM和X86架構(gòu)么?這兩者的區(qū)別又是什么?絕大多數(shù)的人肯定是一臉懵逼。今天小編就帶你深入了解CPU的這兩大架構(gòu)：ARM和X86。以后出去裝X就靠它了!?
　## 重溫下CPU是什么鬼##?
　　中央處理單元(CPU)主要由運(yùn)算器、控制器、寄存器三部分組成，從字面意思看運(yùn)算器就是起著運(yùn)算的作用，控制器就是負(fù)責(zé)發(fā)出CPU每條指令所需要的信息，寄存器就是保存運(yùn)算或者指令的一些臨時(shí)文件，這樣可以保證更高的速度?
　　CPU有著處理指令、執(zhí)行操作、控制時(shí)間、處理數(shù)據(jù)四大作用，打個(gè)比喻來說，CPU就像我們的大腦，幫我們完成各種各樣的生理活動(dòng)。因此如果沒有 CPU，那么電腦就是一堆廢物，無法工作。移動(dòng)設(shè)備其實(shí)很復(fù)雜，這些CPU需要執(zhí)行數(shù)以百萬計(jì)的指示，才能使它向我們期待的方向運(yùn)行，而CPU的速度和功率效率是至關(guān)重要的。速度影響用戶體驗(yàn)，而效率影響電池壽命。最完美的移動(dòng)設(shè)備是高性能和低功耗相結(jié)合。

　　要了解X86和ARM，就得先了解復(fù)雜指令集(CISC)和精簡(jiǎn)指令集(RISC) 從CPU發(fā)明到現(xiàn)在，有非常多種架構(gòu)，從我們熟悉的X86、ARM，到不太熟悉的MIPS、IA64，它們之間的差距都非常大。但是如果從最基本的邏輯角度來分類的話，它們可以被分為兩大類，即所謂的“復(fù)雜指令集”與“精簡(jiǎn)指令集”系統(tǒng)，也就是經(jīng)常看到的“CISC”與“RISC”。

　　Intel和ARM處理器的第一個(gè)區(qū)別是，前者使用復(fù)雜指令集(CISC)，而后者使用精簡(jiǎn)指令集(RISC)。屬于這兩種類中的各種架構(gòu)之間最大的區(qū)別，在于它們的設(shè)計(jì)者考慮問題方式的不同。下面小編分別來介紹：

　　x86：Intel一家獨(dú)大

　　提到芯片巨頭英特爾，每一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)用戶應(yīng)該都不會(huì)感到陌生，英特爾的CPU制造技術(shù)冠絕全球，但是你知道這家巨頭企業(yè)是如何發(fā)家的么?

　　事情要從1978年6月8日說起，Intel發(fā)布了一款新型的微處理器“8086”。而這款處理器在新出現(xiàn)時(shí)并沒有得到什么關(guān)注，可是他卻創(chuàng)造了一個(gè)新的時(shí)代。8086意味著x86架構(gòu)的誕生，而x86作為特定微處理器執(zhí)行計(jì)算機(jī)語言的指令集，定義了芯片的基本使用規(guī)則。8086也直接帶動(dòng)了Intel成為全球首屈一指的芯片巨頭。?
　　而x86不僅僅使Intel平步青云，也成為了業(yè)界的一種標(biāo)準(zhǔn)。在過去的幾十年里，無論是筆記本、服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)還是編寫設(shè)備，都可以看到x86的身影。而且，x86架構(gòu)還在通過不同的方法進(jìn)行改進(jìn)，無論AMD、VIA都可以通過X86指令集的彈性來對(duì)付Intel，迫使x86進(jìn)行改變。

　　通過幾十年的技術(shù)積累，x86服務(wù)器在服務(wù)器領(lǐng)域的地位幾乎是獨(dú)孤求敗。小巧靈活的x86服務(wù)器在市場(chǎng)上應(yīng)用十分廣泛，互聯(lián)網(wǎng)以及局域網(wǎng)內(nèi)的文件、打印、通訊、web、電子郵件、數(shù)據(jù)庫以及應(yīng)用服務(wù)等多個(gè)領(lǐng)域都可以一展身手。

　　x86服務(wù)器最大的特色在于可以兼容Windows操作系統(tǒng)，全部都采用了Intel的CPU。而Intel的x86服務(wù)器也可以分為兩代，最初采用的 80x86系列在發(fā)布了產(chǎn)品80486后，Intel對(duì)該系列產(chǎn)品進(jìn)行了重新命名并注冊(cè)，這也就是現(xiàn)在Intel的Pentium系列，當(dāng)然，這個(gè)系列在中國(guó)還有個(gè)更響亮的名字，即奔騰系列。

　　目前奔騰系列的CPU包括：Pentium、Pentium MMX、Pentium Pro、PII、PII Xeon(至強(qiáng))、PIII、PIII Xeon、P4 Xeon、Celeron2(賽揚(yáng))等。

　　x86：40多年一路堅(jiān)持

　　x86老么?從時(shí)間上來看，確實(shí)老了。x86從1978年至今已經(jīng)將近40年。可經(jīng)過各種風(fēng)云變幻之后，x86依然是服務(wù)器行業(yè)絕對(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者，說這樣的一個(gè)服務(wù)器行業(yè)領(lǐng)袖已經(jīng)老去，那無非便是在指摘支撐起整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)器行業(yè)已老。

　　而且，經(jīng)歷了很多代的改進(jìn)和變革，x86架構(gòu)服務(wù)器依然是最快的架構(gòu)之一。而且現(xiàn)在x86也是整個(gè)行業(yè)的標(biāo)桿，從技術(shù)上來看x86從未落后過，只不過是和其他架構(gòu)的服務(wù)器相比差距大小是否被拉近了。

　　從指令集架構(gòu)來看，CISC確實(shí)是有些陳舊了。即便是Intel也已經(jīng)承認(rèn)，CISC架構(gòu)確實(shí)限制了CPU的發(fā)展。在CISC微處理器程序的各條指令相互串聯(lián)執(zhí)行，指令操作也需要串行執(zhí)行，按照這種方式來進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行，其控制當(dāng)然十分簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)的整體利用率卻被拖了后腿，執(zhí)行速度相對(duì)偏慢。這也是CISC架構(gòu)為中低檔服務(wù)器所采用的原因之一。

　　復(fù)雜指令集是一種伴隨著計(jì)算機(jī)誕生便存在的一種指令集。其擁有較強(qiáng)的處理高級(jí)語言的能力，對(duì)于提高計(jì)算機(jī)性能有一定好處。而日趨復(fù)雜的指令系統(tǒng)不僅帶來的效率的低下，還致使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加，這種復(fù)雜性也將導(dǎo)致了CISC的通用性不佳。

　　ARM：移動(dòng)端異軍突起

　　在PC領(lǐng)域，Intel的CPU一枝獨(dú)秀。而在移動(dòng)端呢?那就當(dāng)屬ARM了。ARM全稱為Advanced RISC Machine，也就是進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機(jī)器。ARM是RISC微處理器的代表作之一，其廣泛的在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中被使用。而且ARM處理器最大的特點(diǎn)在于節(jié)能，這也是其在移動(dòng)通信領(lǐng)域無人能敵的原因之一。

　　打造ARM64位服務(wù)器?
　　在過去，ARM專注于發(fā)展32位架構(gòu)，在移動(dòng)端稱霸多年，讓Intel眼饞不矣。而在PC和服務(wù)器領(lǐng)域，Intel的市場(chǎng)也讓ARM十分眼紅。ARM于 2011年底發(fā)布的ARMv8為其首款64位處理器，而戴爾在2013年發(fā)布了其首款基于ARM64位構(gòu)架的服務(wù)器，相應(yīng)的服務(wù)器解決方案也被開發(fā)出來。?
　　專家認(rèn)為，盡管Intel的x86處理器在服務(wù)器領(lǐng)域依然無敵，但64位的ARM構(gòu)架應(yīng)該可以找到自己的一席之地，ARM在內(nèi)存和網(wǎng)絡(luò)接口同計(jì)算核心間的距離會(huì)被盡可能的拉近，并借此承載起密度極高的大量計(jì)算進(jìn)程，這種特性與Web服務(wù)器及其應(yīng)用十分契合。

　　在服務(wù)器領(lǐng)域，Intel的芯片也有很多水土不服的領(lǐng)域，比如內(nèi)存容量、I/O和處理性能不成比例時(shí)，ARM處理器的表現(xiàn)會(huì)更加合格。ARM處理器的 ISA復(fù)雜程度要低很多，開發(fā)成本也要低，相應(yīng)的，ARM服務(wù)器廠商針對(duì)這些應(yīng)用場(chǎng)景所開發(fā)的服務(wù)器也就擁有了打敗Intel的前提條件。而從這些應(yīng)用環(huán)境所切入服務(wù)器市場(chǎng)的ARM架構(gòu)服務(wù)器其針對(duì)客戶也正是x86的原有部分客戶。

　　而Intel是不會(huì)輕易放手的，在服務(wù)器領(lǐng)域，其工藝對(duì)ARM保持領(lǐng)先，其處理器性能也遠(yuǎn)高于ARM處理器，可在功耗方面一直是Intel的一個(gè)心病。

　　此外，Intel也想進(jìn)軍移動(dòng)端，要打敗ARM，在低功耗的服務(wù)器領(lǐng)域發(fā)力便是一個(gè)好的選擇。采用了14nm工藝的Xeon-D，其包括的2個(gè)1.4G的Broadwell內(nèi)核和GPU的功耗才僅僅為6W，在性能功耗比方便比ARM要高出不少。

　　在2008年，Intel推出了Atom處理器，這款處理器是Intel史上體積最小，功耗最低的處理器，其開創(chuàng)出去便是之中彌補(bǔ)自己在移動(dòng)計(jì)算領(lǐng)域先天不足的問題，而這一領(lǐng)域被ARM霸占多年，在技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)中Intel都不占優(yōu)勢(shì)，想要打敗ARM又談何容易?

　　既然雙方都對(duì)對(duì)方的領(lǐng)域虎視眈眈，那么ARM和Intel的大戰(zhàn)絕對(duì)是不可避免的。那么想要進(jìn)入Intel的服務(wù)器領(lǐng)域，ARM就需要拿出來真本事了，以其64位元處理器作為基礎(chǔ)的芯片設(shè)計(jì)，功耗低、成本低，具備構(gòu)架彈性，以這些優(yōu)勢(shì)去硬碰Intel又能有幾成勝算呢?

　　換個(gè)角度看，ARM芯片架構(gòu)具備一定的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)很多企業(yè)的特性需求，比如緩存一致性以及容錯(cuò)和高可用性等，其軟件的生態(tài)環(huán)境成熟度卻不及Intel，即便是有了更多的企業(yè)關(guān)注也未必就能有把握擊敗Intel，那么又是什么支持這ARM來客場(chǎng)挑戰(zhàn)Intel呢?

　　ARM與X86大比拼

　　從幾個(gè)方面比較ARM與X86架構(gòu)Intel和ARM的處理器，除了最本質(zhì)的復(fù)雜指令集(CISC)和精簡(jiǎn)指令集(RISC)的區(qū)別之外，下面我們?cè)購囊韵聨讉€(gè)方面對(duì)比下ARM和X86架構(gòu)。?
　　1、制造工藝ARM和Intel處理器的一大區(qū)別是ARM從來只是設(shè)計(jì)低功耗處理器，Intel的強(qiáng)項(xiàng)是設(shè)計(jì)超高性能的臺(tái)式機(jī)和服務(wù)器處理器。

　　一直以來，Intel都是臺(tái)式機(jī)的服務(wù)器行業(yè)的老大。然而進(jìn)入移動(dòng)行業(yè)時(shí)，Intel依然使用和臺(tái)式機(jī)同樣的復(fù)雜指令集架構(gòu)，試圖將其硬塞入給移動(dòng)設(shè)備使用的體積較小的處理器中。但是Intel i7處理器平均發(fā)熱率為45瓦。基于ARM的片上系統(tǒng)的發(fā)熱率最大瞬間峰值大約是3瓦，約為Intel i7處理器的1/15。其最新的Atom系列處理器采用了跟ARM處理器類似的溫度控制設(shè)計(jì)，為此Intel必須使用最新的22納米制造工藝。

　　2、64位計(jì)算對(duì)于64位計(jì)算，ARM和Intel也有一些顯著區(qū)別。Intel并沒有開發(fā)64位版本的x86 指令集。64位的指令集名為x86-64(有時(shí)簡(jiǎn)稱為x64)，實(shí)際上是AMD設(shè)計(jì)開發(fā)的。Intel想做64位計(jì)算，它知道如果從自己的32位x86架構(gòu)進(jìn)化出64位架構(gòu)，新架構(gòu)效率會(huì)很低，于是它搞了一個(gè)新64位處理器項(xiàng)目名為IA64。由此制造出了Itanium系列處理器。

　　而 ARM在看到移動(dòng)設(shè)備對(duì)64位計(jì)算的需求后，于2011年發(fā)布了ARMv8 64位架構(gòu)，這是為了下一代ARM指令集架構(gòu)工作若干年后的結(jié)晶。為了基于原有的原則和指令集，開發(fā)一個(gè)簡(jiǎn)明的64位架構(gòu)，ARMv8使用了兩種執(zhí)行模式，AArch32和AArch64。顧名思義，一個(gè)運(yùn)行32位代碼，一個(gè)運(yùn)行64位代碼。ARM設(shè)計(jì)的巧妙之處，是處理器在運(yùn)行中可以無縫地在兩種模式間切換。這意味著64位指令的解碼器是全新設(shè)計(jì)的，不用兼顧32位指令，而處理器依然可以向后兼容。

　　3、異構(gòu)計(jì)算ARM的 big.LITTLE架構(gòu)是一項(xiàng)Intel一時(shí)無法復(fù)制的創(chuàng)新。在big.LITTLE架構(gòu)里，處理器可以是不同類型的。傳統(tǒng)的雙核或者四核處理器中包含同樣的2個(gè)核或者4個(gè)核。一個(gè)雙核Atom處理器中有兩個(gè)一模一樣的核，提供一樣的性能，擁有相同的功耗。ARM通過big.LITTLE向移動(dòng)設(shè)備推出了異構(gòu)計(jì)算。這意味著處理器中的核可以有不同的性能和功耗。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，使用低功耗核，而當(dāng)你運(yùn)行一款復(fù)雜的游戲時(shí)，使用的是高性能的核。

　　這是什么做到的呢?設(shè)計(jì)處理器的時(shí)候，要考慮大量的技術(shù)設(shè)計(jì)的采用與否，這些技術(shù)設(shè)計(jì)決定了處理器的性能以及功耗。在一條指令被解碼并準(zhǔn)備執(zhí)行時(shí)，Intel和ARM的處理器都使用流水線，就是說解碼的過程是并行的。

　　為了更快地執(zhí)行指令，這些流水線可以被設(shè)計(jì)成允許指令們不按照程序的順序被執(zhí)行(亂序執(zhí)行)。一些巧妙的邏輯結(jié)構(gòu)可以判斷下一條指令是否依賴于當(dāng)前的指令執(zhí)行的結(jié)果。Intel和ARM都提供亂序執(zhí)行邏輯結(jié)構(gòu)，可想而知，這種結(jié)構(gòu)十分的復(fù)雜，復(fù)雜意味著更多的功耗。

　　那為什么反而ARM的比X86耗電少得多呢。這就和另外一個(gè)因素相關(guān)了，那就是設(shè)計(jì)。

　　設(shè)計(jì)又分為前端和后端設(shè)計(jì)，前端設(shè)計(jì)體現(xiàn)了處理器的構(gòu)架，精簡(jiǎn)指令集和復(fù)雜指令集的區(qū)別是通過前端設(shè)計(jì)體現(xiàn)的。后端設(shè)計(jì)處理電壓、時(shí)鐘等問題，是耗電的直接因素。當(dāng)然，其中任何一項(xiàng)都會(huì)使得時(shí)鐘和電源所控制的模塊無法工作。他們的區(qū)別在于，門控時(shí)鐘的恢復(fù)時(shí)間較短，而電源控制的時(shí)間較長(zhǎng)。此外，如果條單條指令使用多個(gè)模塊的功能，在恢復(fù)功能的時(shí)候，并不是最慢的那個(gè)模塊的時(shí)間，而可能是幾個(gè)模塊時(shí)間相加，因?yàn)檫@牽涉到一個(gè)上電次序的問題，也就是恢復(fù)工作時(shí)候模塊間是有先后次序的，不遵照這個(gè)次序，就無法恢復(fù)。而遵照這個(gè)次序，就會(huì)使得總恢復(fù)時(shí)間很長(zhǎng)。

　　所以在后端這塊，可以得到一個(gè)結(jié)論，為了省電，可以關(guān)閉一些暫時(shí)不會(huì)用到的處理器模塊。但是也不能輕易的關(guān)閉，否則一旦需要，恢復(fù)的話會(huì)讓完成某個(gè)指令的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，總體性能顯然降低。此外，子模塊的門控時(shí)鐘和電源開關(guān)通常是設(shè)計(jì)電路時(shí)就決定的，對(duì)于操作系統(tǒng)是透明的，無法通過軟件來優(yōu)化。

　　再來看前端。ARM的處理器有個(gè)特點(diǎn)，就是亂序執(zhí)行能力不如X86。換句話說，就是用戶在使用電腦的時(shí)候，他的操作是隨機(jī)的，無法預(yù)測(cè)的，造成了指令也無法預(yù)測(cè)。X86為了增強(qiáng)對(duì)這種情況下的處理能力，加強(qiáng)了亂序指令的執(zhí)行。此外，X86還增強(qiáng)了單核的多線程能力。這樣做的缺點(diǎn)就是，無法很有效的關(guān)閉和恢復(fù)處理器子模塊，因?yàn)橐坏╆P(guān)閉，恢復(fù)起來就很慢，從而造成低性能。為了保持高性能，就不得不讓大部分的模塊都保持開啟，并且時(shí)鐘也保持切換。這樣做的直接后果就是耗電高。而ARM的指令強(qiáng)在確定次序的執(zhí)行，并且依靠多核而不是單核多線程來執(zhí)行。這樣容易保持子模塊和時(shí)鐘信號(hào)的關(guān)閉，顯然就更省電。

　　ARM和X86現(xiàn)在發(fā)展如何?

　　關(guān)于X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)這兩者誰將統(tǒng)一市場(chǎng)的爭(zhēng)執(zhí)一直都有，但是也有人說這兩者根本不具備可比性，X86無法做到 ARM的功耗，而ARM也無法做到X86的性能。現(xiàn)在ARM架構(gòu)已經(jīng)具備了進(jìn)入服務(wù)器芯片的能力，眾多芯片研發(fā)企業(yè)紛紛采用ARM架構(gòu)研發(fā)服務(wù)器芯片無疑將促進(jìn)其繁榮， 2015年一款采用ARM架構(gòu)的Windows 10平板現(xiàn)身，這也是目前曝光的全球首款非X86架構(gòu)、運(yùn)行Windows系統(tǒng)的平板產(chǎn)品。

　　隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)融合互通日趨明顯，ARM發(fā)展后臺(tái)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)是大勢(shì)所趨，所以與其說ARM倒更像是背水一戰(zhàn)，無論是ARM還是Intel，雙方都沒有任何退路可言

posted on 2018-07-14 20:44 時(shí)空觀察者9號(hào) 閱讀(...) 評(píng)論(...) 編輯 收藏

與50位技術(shù)專家面對(duì)面20年技術(shù)見證，附贈(zèng)技術(shù)全景圖

總結(jié)

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