繁简之争：为什么手机芯片都是 ARM

RISC 和 CISC 指令集

之前的文章《揭秘 CPU 是如何执行计算机指令的》中说到，如果从软件的角度来讲，CPU 就是一个执行各种计算机指令（Instruction Code）的逻辑机器。

计算机指令集是计算机指令的集合，包括各种类型的指令，例如数据传输指令（用于在内存和寄存器之间移动数据）、算术运算指令（如加法、减法、乘法、除法等）、逻辑运算指令（与、或、非等）、控制转移指令（用于改变程序执行的流程，如跳转、分支等）。

CISC（复杂计算机指令集计算机）和 RISC（精简指令集计算机）是两种不同的计算机指令集架构。

CISC 是早期的计算机指令集架构，最早出现在 20 世纪 70 年代早期。为了性能考虑，很多功能都是通过硬件电路来实现的。为了少用内存，指令长度是可变的。

到了 20 世纪 80 年代早期，RISC 开始登上了历史的舞台。当时，加州大学伯克利分校的大卫·帕特森教授发现，实际在 CPU 运行的程序里，80% 的时间都是在使用 20% 的简单指令。于是选择把指令“精简”到 20% 的简单指令。而原先的复杂指令，则通过用简单指令组合起来来实现，让软件来实现硬件的功能。

RISC 与 CISC 之争

20 世纪 80 年代，计算机体系结构领域关于 RISC 指令集和 CISC 指令集优缺点的争论十分激烈。RISC 的支持者声称在给定硬件数量的情况下，通过结合简约式指令集设计、高级编译技术和流水线化的处理器实现，他们能够得到更强的计算能力。而 CISC 的拥趸反驳说要完成一个给定的任务只需要用较少的 CISC 指令，而且这样的机器能够获得较高的总体性能。

CISC 和 RISC 可以参考下面对比图：

在 20 世纪 90 年代早期，争论逐渐平息，因为事实已经很清楚了，无论是单纯的 RISC 还是单纯的 CISC 都不如结合两者思想精华的设计。RISC 机器发展进化的过程中，引入了更多的指令，而许多这样的指令都需要执行多个周期。今天的 RISC 机器的指令表中有几百条指令，几乎与“精简指今集机器”的名称不相待了。

比较新的 CISC 机器也利用了高性能流水线结构，它们读取 CISC 指令，并动态地翻译成比较简单的、像 RISC 那样的操作的序列。由于动态翻译通常可以在实际指令执行前进行，处理器可以保持很高的执行率。

为什么手机芯片是 ARM

ARM 是“Advanced RISC Machines”的缩写。从名字可以看出来，ARM 的芯片是基于 RISC 架构的。

不过，ARM 能在移动端战胜 Intel，并不是因为 RISC 架构。21 世纪的今天，CISC 和 RISC 架构的分界已经没有那么明显了。Intel 和 AMD 的 CPU 也都是采用译码成 RISC 风格的微指令来运行。而 ARM 的芯片，一条指令同样需要多个时钟周期，有乱序执行和多发射。ARM 真正能够战胜 Intel，我觉得主要是因为下面这两点原因。

第一点是功耗优先的设计。一个 4 核的 Intel i7 的 CPU，设计的时候功率就是 130W。而一块 ARM A8 的单个核心的 CPU，设计功率只有 2W。两者之间差出了 100 倍。在移动设备上，功耗是一个远比性能更重要的指标。ARM 的 CPU，主频更低，晶体管更少，高速缓存更小，乱序执行的能力更弱。所有这些，都是为了功耗所做的妥协。

第二点则是低价。ARM 公司并没有垄断 CPU 的生产和制造，只是进行 CPU 设计，然后把对应的知识产权授权出去，让其他的厂商来生产 ARM 架构的 CPU。它甚至还允许这些厂商可以基于 ARM 的架构和指令集，设计属于自己的 CPU。像苹果、三星、华为，它们都是拿到了基于 ARM 体系架构设计和制造 CPU 的授权。ARM 自己只是收取对应的专利授权费用。多个厂商之间的竞争，使得 ARM 的芯片在市场上价格很便宜。

“遥遥领先”算什么

之前在小红书发布笔记的时候，有朋友留言问“遥遥领先”（麒麟芯片）算什么？

我没找到官方公布的相关说明，但是我觉得遥遥领先麒麟芯片也肯定是基于精简指令集的，也必然是大核+小核协同工作的，因为这样可以平衡性能和功耗。欢迎懂行的指导~

未来是属于 RISC-V 的

不过，ARM 并不是开源的。所以，在 ARM 架构逐渐垄断移动端芯片市场的时候，“开源硬件”也慢慢发展起来了。一方面，MIPS 在 2019 年宣布开源；另一方面，RISC-V 项目也越来越受到大家的关注。而 RISC 概念的发明人，图灵奖的得主大卫·帕特森教授从伯克利退休之后，成了 RISC-V 国际开源实验室的负责人，开始推动 RISC-V 这个“CPU 届的 Linux”的开发。可以想见，未来的开源 CPU，也多半会像 Linux 一样，逐渐成为一个业界的主流选择。