『ARM』和『x86』处理器架构解析指南

前言

如果问大家是否知道 CPU，我相信不会得到否定的答案，但是如果继续问大家是否了解 ARM 和 X86 架构，他们的区别又是什么，相信可能部分人就会哑口无言了

目前随着深度学习、高性能计算、NLP、AIGC、GLM、AGI 的技术迭代，助力大模型快速发展，对于多元算力结合（CPU+GPU）需求越来越高，再不了解 CPU 就说不过去了，因此本文将会带您深入了解 CPU 架构，并且解析 CPU 两大主流架构：ARM 和 X86

简介

中央处理器（Central Processing Unit，CPU） 是计算机的运算核心和控制核心。CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据

CPU 由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。 CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令

处理器系列

x86

Intel 系列： Celeron（赛扬）、Pentium（奔腾）和Core（酷睿）从低端到高端

AMD 系列：Semporn（闪龙）Athlon（速龙）和 羿龙系列 从低端到高端

因为 Intel 为 x86 架构处理器龙头老大，因此后文某些地方可能使用 Intel 处理器代指 x86 架构处理器

注：上面两家公司主要做 x86 架构，但是也会做 ARM 架构，比如 2016 年 AMD 公司推出基于ARM架构的处理器 Opteron A1100

ARM

基本就是英国 ARM 公司的处理器系列，以及所有 ARM 公司授权的公司，诸如高通、苹果（三星代做）、三星和华为

指令集区别

想要了解 X86 和 ARM，需要先了解复杂指令集（Complex Instruction Set Computer，简称 CISC)和精简指令集（Reduced Instruction Set Computer，简称 RISC）

复杂指令集

在 CISC 微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。CISC架构的服务器主要以IA-32架构(Intel Architecture，英特尔架构)为主，而且多数为中低档服务器所采用

计算机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功能，因此，处理特殊任务效率较高。机器的存储器操作指令多，操作直接。包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大

适用领域：个人电脑和服务器

注：x86 架构 主要采用 复杂指令集

精简指令集

RISC 是执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于 80 年代的 MIPS 主机 (即 RISC 机)，RISC 机中采用的微处理器统称 RISC 处理器

RISC 处理器能够以更快的速度执行操作 (每秒执行更多百万条指令，即 MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件，计算机指令集越大就会使微处理器更复杂，执行操作也会更慢

因为设计者主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色，不常用功能会通过组合指令来完成，因此在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低，但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补

对存储器操作有限制，使控制简单化。包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低

适用领域：移动设备和嵌入式系统

注：**ARM 架构 ** 主要采用 精简指令集

总结

就 CPU 功耗来讲，RISC 和 CISC 走了两条不同道路。CISC 走的是性能路线，先把性能做上去，功耗其次。不断地考虑如何散热，使用金属片，风扇，水冷等多种设备降温，因为用在 PC 上，耗电大不会有明显的问题。RISC走的是低功耗路线，面向的是需要用电池的场景，功耗低是首要原则，性能其次

64位计算

x86

ADM 公司首先开发出 64 位版本的 x86 指令集，64 位的指令集名为 x86-64（简称 x64）

Intel 公司认为将自己 32 位 x86 架构进化出 64 位架构，新架构效率会很低，因此创建新 64 位处理器项目，名为 IA64，由此制造出 Itanium 系列处理器

后面 AMD 知道自己造不出能与 IA64 兼容的处理器，于是将 x86 扩展，加入了 64 位寻址和 64 位寄存器。最终出来的架构就是 AMD64，最终 ADM 成为了 64 位版本的 x86 处理器的标准。最后 Intel 将 Itanium 系列处理器彻底废弃，并最终采用 AMD64

ARM

ARM 公司在看到移动设备对 64 位计算的需求后，于 2011 年发布了 ARMv8 64 位架构，基于原有的原则和指令集，开发简明的 64 位架构，ARMv8 使用了两种执行模式，AArch32 和 AArch64

ARM 设计的巧妙之处，是处理器运行中可以无缝地在两种模式间切换。这意味着 64 位指令的解码器是全新设计的，无需兼顾 32 位指令，而处理器依然可以向后兼容

异构计算

ARM 的 big.LITTLE 架构处理解决当今行业面临的难题：如何创建既有高性能又有极佳节能效果的片上系统 (SoC) 以延长电池使用寿命

在 big.LITTLE 架构里，处理器可以是不同类型的。传统的双核或者四核处理器中包含同样的 2 个核或者 4 个核。一个双核 Atom 处理器中有两个一模一样的核，提供一样的性能，拥有相同的功耗。ARM 通过 big.LITTLE 向移动设备推出了异构计算。这意味着处理器中的核可以有不同的性能和功耗。当设备正常运行时，使用低功耗核，而当你运行复杂的游戏时，使用的是高性能的核

big.Little 系统中两个处理器之间高效无缝地切换工作负载是通过开发高级 ARM 系统 IP 实现的，这样可确保 Cortex-A15 和 Cortex-A7 处理器之间完全的高速缓存、I/O 的一致性

如果您想要详细了解 big.LITTLE 的底层原理和机制，可以查看下方 ARM 官网解释

官方解释：

• big.LITTLE – Arm®
• Wayback Machine (archive.org)

功耗对比

以前人们的刻板印象，低功耗和高算力处理器就是泾渭分明，x86 架构就是做高算力，ARM 架构就是做低功耗

但是自从苹果发布 M1 芯片（目前的 M2 芯片远超同等 x86 处理器性能），并且随着其他 ARM 处理器的快速发展，人们才恍然惊觉，原来靠低功耗起家的 ARM 也能做高算力，可以真正做到更高性能和更低功耗

根据 2022 年 Ampere 公司给出的数据，其 CPU 的性能超越传统 x86 处理器 3 倍，性能功耗比领先近 4 倍，与 x86 服务器 CPU 相比，Ampere Altra 系列可用 50% 的能耗，提供 200% 的性能

参考链接

• 分不清ARM和X86架构，别跟我说你懂CPU！ - 知乎 (zhihu.com)
• ARM 与 x86：有何区别？ (redhat.com)
• CPU的基本概念 - 知乎 (zhihu.com)
• CPU的介绍与选择，看完你懂了吗？ - 知乎 (zhihu.com)
• 什么是 CPU？– 中央处理器详解 – AWS (amazon.com)
• CISC和RISC的特点和区别 - 不是公子的小白 - 博客园 (cnblogs.com)
• CPU_X86架构和ARM架构入门篇-腾讯云开发者社区-腾讯云 (tencent.com)

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