X86處理器與ARM處理器

2023-02-10 19:24:02 字數 4977 閱讀 5919

摘要arm架構在嵌入式系統、超級計算機領域有著龐大的市場占有量。本文從x86架構出發,通過對比體現arm架構處理器的結構和特性。

x86架構與arm架構的最根本區別是採用了不同的指令集。arm處理器採用32位元精簡指令集(risc) **處理器架構,x86架構處理器採用可變指令長度的複雜指令集計算機(cisc),在intel的pentium問世以後x86也逐漸融合了risc指令。arm處理器具有體積小、低功耗、低成本、高效能的特點,而x86相對來說體積大、高功耗、具有向前相容性等特點。

每條arm指令都帶有執行條件,像溢位,進製等,只有在滿足特定條件下指令才會得到執行;當然arm指令集不存在像x86指令集那樣的向下相容性,386支援16位實模式,相容8086,但32位arm卻沒法識別16位arm指令集。

arm由於採用risc指令集並且使用較少電晶體組成精簡的核心容易提高效率,操作更簡便。由於採用的電晶體少,晶元體積小所以功耗很低。

關鍵字:x86架構 arm架構 cisc指令集 risc指令集

1.引言

近幾年來arm處理器逐漸從智慧型手機走向平板和筆電市場,arm架構開始走進普通使用者的視野。arm在筆電和平板中的表現讓人體會到arm架構產品的優越性。

微處理器介紹

2.1arm架構

arm(advanced risc machines)處理器是acorn計算機****面向低預算市場設計的第一款risc微處理器。更早稱作(acorn risc machine)。

arm架構過去稱作高階精簡指令集機器(advanced risc machine),更早稱作acorn risc machine)是乙個32位元精簡指令集(risc) **處理器(processor)架構,其廣泛地使用在許多嵌入式系統(embedded)設計。由於節能的特點,arm處理器非常適用於移動通訊領域,符合其主要設計目標為低耗電的特性。

2.2 arm公司的歷史

2023年12月5日,物理學家赫爾曼·豪澤(hermann hauser)和工程師chris curry,在英國劍橋創辦了cpu公司(cambridge processing unit)。2023年,roger wilson和steve furber設計了他們自己的第一代32位、6m hz的處理器,roger wilson和steve furber用它做出了一台risc指令集的計算機,簡稱arm(acorn risc machine)。這就是arm這個名字的由來。

2023年11月27日,acorn公司正式改組為arm計算機公司。蘋果公司出資150萬英鎊,晶元廠商vlsi出資25萬英鎊,acorn本身則以150萬英鎊的智財權和12名工程師入股。公司的辦公地點非常簡陋,就是乙個穀倉。

20世紀90年代,arm 32位嵌入式risc(reduced lnstruction set computer)處理器擴充套件到世界範圍,佔據了低功耗、低成本和高效能的嵌入式系統應用領域的領先地位。arm公司既不生產晶元也不銷售晶元,它只**晶元技術授權。

2.2 arm處理器系列

arm 微處理器目前包括下面幾個系列,以及其它廠商基於 arm 體系結構的處理器,除了具有arm 體系結構的共同特點以外,每乙個系列的 arm 微處理器都有各自的特點和應用領域。

- arm7 系列

- arm9 系列

- arm9e 系列

- arm10e 系列

- arm11系列

- cortex 系列

- securcore 系列

- optimode data engines

- xcale

其中,arm7、arm9、arm9e 和 arm10 為4 個通用處理器系列,每乙個系列提供一套相對獨特的效能來滿足不同應用領域的需求。securcore 系列專門為安全要求較高的應用而設計。

2.2 arm處理器結構

arm處理器有7個處理器模式(x86有3個),使用者模式、管理模式、未定義模式、中止模式、特權模式、irq模式,fiq模式。

使用者模式和管理模式:共用r0-r14個通用暫存器,pc暫存器,共用乙個cpsr。

未定義模式、中止模式、特權模式、irq模式:共享使用者模式和管理模式的r0-r12,各自專用的r13-r14,注意和使用者模式的r13-r14不同,pc暫存器,各自專用的cpsr和spsr。

fiq模式:共享使用者模式和管理模式的r0-r7,專用的r8-r14,pc暫存器,各自專用的cpsr和spsr。

處理器指令集與x86處理器指令集

在計算機指令系統的優化發展過程中,出現過兩個截然不同的優化方向:cisc技術和risc技術。

cisc是指複雜指令系統計算機(complex instruction set computer);risc是指精減指令系統計算機(reduced instruction set computer)。這裡的計算機指令系統指的是計算機的最低層的機器指令,也就是cpu能夠直接識別的指令。隨著計算機系統的複雜,要求計算機指令系統的構造能使計算機的整體效能更快更穩定。

另一種優化方法是在20世紀80年代才發展起來的,其基本思想是盡量簡化計算機指令功能,只保留那些功能簡單、能在乙個節拍內執行完成的指令,而把較複雜的功能用一段子程式來實現,這種計算機系統就被稱為精簡指令系統計算機。即reduced instruction set computer,簡稱risc。risc技術的精華就是通過簡化計算機指令功能,使指令的平均執行週期減少,從而提高計算機的工作主頻,同時大量使用通用暫存器來提高子程式執行的速度。

x86架構處理器是採用cisc複雜指令集架構的處理器的代表。在cisc處理器中,程式的各條指令是按順序序列執行的,每條指令中的各個操作也是按順序序列執行的。順序執行的優點是控制簡單,但計算機各部分的利用率不高,執行速度慢。

arm架構處理器採用的是risc精減指令系統和流水線技術,早在上個世紀60年代,計算機科學家們發現,計算機中80%的任務只是動用了大約20%的指令,而剩下20%的任務才有機會使用到其他80%的指令。如果對指令系統作相應的優化,就可以從根本上快速提高處理器的執行效率。ibm公司在2023年成功開發出第一款risc處理器,從此risc架構開始走進超級計算機中。

由於指令高度簡約,risc處理器的電晶體規模普遍都很小而效能強大,深受超級計算機廠商所青睞。很快,許多廠商都拿出自己的risc指令系統,除了ibm的power和powerpc 外,還有dec的alpha、sun的sparc、hp的pa-risc、mips技術公司的mips、arm公司的arm等等。它的應用範圍也遠比 x86來得廣泛,大到各種超級計算機、工作站、高階伺服器,小到各類嵌入式裝置、家用遊戲機、消費電子產品、工業控制計算機,都可以看到risc的身影。

只不過這些領域同普通消費者較為脫離,故而少為人知。

無論在執行效率、晶元功耗還是製造成本上,選擇risc都比沿用x86更加英明。我們不妨作一番實際的比較:prescott核心的pentium 4 xe系列,它的電晶體總數在1億7800萬個以上,最高功耗達到130w,但它的運算能力不超過20gigaflops(floating point operations per second,每秒浮點運算)。

ibm剛剛推出的cell,它的電晶體總數為2.34億個,在採用90奈米工藝製造時晶元面積為221平方公釐,但它的運算力高達2560gigaflops,整整是pentium 4 xe的128倍。由此可見,二者完全不是乙個層面上的對手,x86指令系統的低效性在這裡一覽無遺。

與此對應,risc產品在成本上優勢明顯—半導體晶元的製造成本同晶元面積三次方成正比。在工藝相同的情況下,晶元面積大小取決於所整合的電晶體規模。risc處理器核心精簡、效率更高,只要很少的電晶體就能達到與x86產品媲美的效能,製造成本可大大低於現有的x86處理器。

而小電晶體規模亦有助於保持較低的能耗值,risc處理器在這方面表現相當傑出,現在的嵌入式裝置幾乎都採用 risc產品,原因就在於這類產品的功耗值超低。,

過去,pc鍾情於x86的原因在於軟體相容,尤其是微軟只為x86 pc開發windows系統,這也被認為是pc採用risc架構的最大障礙。這個障礙最終也將被解除,linux作業系統逐漸發展成熟,mac os x的綜合水準更遠在windows之上,辦公、圖形、網路、多**相關的各類跨平台應用軟體極大豐富。單從技術角度考慮,以risc取代x86作為pc的主力架構的確是非常英明的選擇,更高的效率、更快的速度、更低的成本以及同樣豐富的軟體支援, risc pc將展現出勃勃生機。

4. arm處理器與x86處理器的比較

arm處理器

1、體積小、低功耗、低成本、高效能;

2、支援thumb(16位)/arm(32位)雙指令集,能很好的相容8位/16位器件;

3、大量使用暫存器,指令執行速度更快;

4、大多數資料操作都在暫存器中完成;

5、定址方式靈活簡單,執行效率高;

6、指令長度固定。

缺點:多指令的操作使得程式開發者必須小心地選用合適的編譯器,而且編寫的**量會變得非常大。另外就是risc體系的處理器需要更快記憶體,這通常都整合於處理器內部,就是l1 cache(一級快取)。

x86處理器

優點:能夠有效縮短新指令的微**設計時間,允許設計師實現cisc體系機器的向上相容。新的系統可以使用乙個包含早期系統的指令超集合,也就可以使用較早電腦上使用的相同軟體。

另外微程式指令的格式與高階語言相匹配,因而編譯器並不一定要重新編寫。

缺點:(1)可變的指令長度 x86指令的長度是不定的,而且有幾種不同的格式,結果造成x86 cpu的解碼工作非常複雜,為了提高cpu的工作頻率,不得不延長cpu中的流水線,而過長的流水線在分支**出錯的情況下,又會帶來cpu工作停滯時間較長的弊端。

(2)暫存器的貧乏 x86指令集架構只有8個通用暫存器,而且實際只能使用6個。這種情況同現代的超標量cpu極不適應,雖然工程師們採用暫存器重新命名的技術來彌補這個缺陷,但造成了cpu過於複雜,流水線過長的局面。

(3)記憶體訪問 x86指令可訪問記憶體位址(通過對邏輯位址的定址),而現代risc cpu則使用load/store模式,只有load和store指令才能從記憶體中讀取資料到暫存器,所有其他指令只對暫存器中的運算元計算。在目前cpu的速度是記憶體速度的5倍或5倍以上的情況下,後一種工作模式才是正途。

(4)晶元變大所有用於提高x86 cpu效能的方法,如暫存器重新命名、巨大的緩衝器、亂序執行、分支**、x86指令轉化等等,都使cpu的晶元面積變得更大,也限制了工作頻率的進一步提高,而額外整合的這些電晶體都只是為了解決x86指令的問題

處理器發展趨勢

ARM處理器體系結構簡要總結

關鍵字 arm處理器體系結構 搞arm兩個月了,有點收穫,就談它了。本文主要介紹arm7系列處理器。呵呵,不是相關專業可能有很多人不知道arm是個什麼東西吧,我現在簡要介紹一下各種處理器分類,目前我們的處理器陣營中分為cisc和risc兩大系列,cisc是複雜指令集處理器,這種處理器每條指令可以執行...

AMD K10處理器超頻指導

amd從k8開始在cpu當中整合記憶體控制器,在k8架構中,處理器核心跟北橋晶元ht頻率是一致的,調節cpu的ht匯流排頻率相應的就會調節ht頻率,也就是說如果想降低ht頻率,只需降低cpu內部ht匯流排倍頻即可。而k10架構與k8的有所不同,k10架構允許cpu內部ht頻率與北橋的ht頻率非同步,...

微處理器工作原理

1.引言 2.微處理器的結構 3.微處理器指令 4.微處理器的效能和發展趨勢 引言您在瀏覽本頁面時使用的計算機便通過微處理器來完成其工作。微處理器是所有標準計算機的心臟,無論該計算機是桌面計算機 伺服器還是膝上型電腦。您正在使用的微處理器可能是奔騰 k6 powerpc sparc或者其他任何品牌和...