解讀x86、ARM和MIPS三種主流芯片架構(gòu)

　　指令集可分為復(fù)雜指令集(CISC)和精簡(jiǎn)指令集(RISC)兩部分，代表架構(gòu)分別是x86、ARM和MIPS。

　　ARMRISC是為了提高處理器運(yùn)行速度而設(shè)計(jì)的芯片體系，它的關(guān)鍵技術(shù)在于流水線操作即在一個(gè)時(shí)鐘周期里完成多條指令。相較復(fù)雜指令集CISC而言，以RISC為架構(gòu)體系的ARM指令集的指令格式統(tǒng)一、種類少、尋址方式少，簡(jiǎn)單的指令意味著相應(yīng)硬件線路可以盡量做到最佳化，從而提高執(zhí)行速率。因?yàn)橹噶罴木?jiǎn)，所以許多工作必須組合簡(jiǎn)單的指令，而針對(duì)復(fù)雜組合的工作便需要由編譯程序來執(zhí)行。而CISC體系的x86指令集因?yàn)橛布峁┑闹噶罴^多，所以許多工作都能夠以一個(gè)或是數(shù)個(gè)指令來代替，編譯的工作因而減少了許多。

　　ARM指令集架構(gòu)的主要特點(diǎn)：一是體積小、低功耗、低成本、高性能;二是大量使用寄存器且大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，指令執(zhí)行速度更快;三是尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高;四是指令長(zhǎng)度固定，可通過多流水線方式提高處理效率。

　　MIPS是高效精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中的一種，與當(dāng)前商業(yè)化最成功的ARM架構(gòu)相比，MIPS的優(yōu)勢(shì)主要有五點(diǎn)：一是早于ARM支持64bit指令和操作，截至目前MIPS已面向高中低端市場(chǎng)先后發(fā)布了P5600系列、I6400系列和M5100系列64位處理器架構(gòu)，其中P5600、I6400單核性能分別達(dá)到3.5和3.0DMIPS/MHz，即單核每秒可處理350萬條和300萬條指令，超過ARM Cortex-A53 230萬條/秒的處理速度;二是MIPS有專門的除法器，可以執(zhí)行除法指令;三是MIPS的內(nèi)核寄存器比ARM多一倍，在同樣的性能下MIPS的功耗會(huì)比ARM更低，同樣功耗下性能比ARM更高;四是MIPS指令比ARM稍微多一些，執(zhí)行部分運(yùn)算更為靈活;五是MIPS在架構(gòu)授權(quán)方面更為開放，允許授權(quán)商自行更改設(shè)計(jì)，如更多核的設(shè)計(jì)。

　　同時(shí)，MIPS架構(gòu)也存在一些不足之處：一是MIPS的內(nèi)存地址起始有問題，這導(dǎo)致了MIPS在內(nèi)存和cache的支持方面都有限制，即MIPS單內(nèi)核無法面對(duì)高容量?jī)?nèi)存配置;二是MIPS技術(shù)演進(jìn)方向是并行線程，類似INTEL的超線程，而ARM未來的發(fā)展方向是物理多核，從目前核心移動(dòng)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)來看物理多核占據(jù)了上風(fēng);三是MIPS雖然結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，但是到現(xiàn)在還是順序單/雙發(fā)射，ARM則已經(jīng)進(jìn)化到了亂序雙/三發(fā)射，執(zhí)行指令流水線周期遠(yuǎn)不如ARM高效;四是MIPS學(xué)院派發(fā)展風(fēng)格導(dǎo)致其商業(yè)進(jìn)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于ARM，當(dāng)ARM與高通、蘋果、NVIDIA等芯片設(shè)計(jì)公司合作大舉進(jìn)攻移動(dòng)終端的時(shí)候，MIPS還停留在高清盒子、打印機(jī)等小眾市場(chǎng)產(chǎn)品中;五是MIPS自身系統(tǒng)的軟件平臺(tái)也較為落后，應(yīng)用軟件與ARM體系相比要少很多。

　　x86 CISC是一種為了便于編程和提高記憶體訪問效率的芯片設(shè)計(jì)體系，包括兩大主要特點(diǎn)：一是使用微代碼，指令集可以直接在微代碼記憶體里執(zhí)行，新設(shè)計(jì)的處理器，只需增加較少的電晶體就可以執(zhí)行同樣的指令集，也可以很快地編寫新的指令集程式;二是擁有龐大的指令集，x86擁有包括雙運(yùn)算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到記憶體以及記憶體到寄存器的多種指令類型，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜操作，微處理器除向程序員提供類似各種寄存器和機(jī)器指令功能外，還通過存于只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的微程序來實(shí)現(xiàn)極強(qiáng)的功能，微處理器在分析完每一條指令之后執(zhí)行一系列初級(jí)指令運(yùn)算來完成所需的功能。

　　x86指令體系的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在能夠有效縮短新指令的微代碼設(shè)計(jì)時(shí)間，允許實(shí)現(xiàn)CISC體系機(jī)器的向上兼容，新的系統(tǒng)可以使用一個(gè)包含早期系統(tǒng)的指令集合。另外微程式指令的格式與高階語言相匹配，因而編譯器并不一定要重新編寫。相較ARM RISC指令體系，其缺點(diǎn)主要包括四個(gè)方面。

　　第一，通用寄存器規(guī)模小，x86指令集只有8個(gè)通用寄存器，CPU大多數(shù)時(shí)間是在訪問存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，影響整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行速度。而RISC系統(tǒng)往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重疊寄存器窗口和寄存器堆等技術(shù)，使寄存器資源得到充分的利用。

　　第二，解碼器影響性能表現(xiàn)，解碼器的作用是把長(zhǎng)度不定的x86指令轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度固定的類似于RISC的指令，并交給RISC內(nèi)核。解碼分為硬件解碼和微解碼，對(duì)于簡(jiǎn)單的x86指令只要硬件解碼即可，速度較快，而遇到復(fù)雜的x86指令則需要進(jìn)行微解碼，并把它分成若干條簡(jiǎn)單指令，速度較慢且很復(fù)雜。

　　第三，x86指令集尋址范圍小，約束用戶需要。

　　第四，x86 CISC單個(gè)指令長(zhǎng)度不同，運(yùn)算能力強(qiáng)大，不過相對(duì)來說結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難將CISC全部硬件集成在一顆芯片上。而ARM RISC單個(gè)指令長(zhǎng)度固定，只包含使用頻率最高的少量指令，性能一般但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率穩(wěn)定。