《芯片有话说》第一篇：三分天下的CPU架构

从今天开始，会陆续写些有关芯片的内容。我整理成《芯片有话说》系列。本人才疏学浅，深度不敢说，但求能将芯片产业上下游的发展兴衰以及现状讲清楚。

如果把芯片比作一个人，CPU就相当于人的大脑。

CPU在处理事务时是基于一定的逻辑进行的。但CPU的设计者们对于事务处理的理解不同。

一类认为应该给予简单的命令，而让CPU执行复杂的操作。类似于发出“喝水”的命令，CPU会自行喝水（这个过程是通过在硬件中预先实现了复杂的功能）。设计者针对这种模式设计出一系列的指令集合。这就是复杂指令集（CISC）。

CISC：复杂指令集

另一类则认为应该给予富有逻辑性的命令，而让CPU按部就班地简单执行。比如发出“倒水，端起杯子，张嘴，喝水”等一系列命令。CPU只需要按命令的顺序分别执行简单的功能就可以完成喝水这一“复杂”的操作。基于此设计出的一系列指令集合，就是精简指令集（RISC）。

RISC：精简指令集

在这两种指令集的基础上，诞生了很多不同的CPU架构。基于CISC的X86、基于RISC的PowerPC、MIPS、ARM、Alpha等。但时至今日，IBM的PowerPC和DEC公司的Alpha架构基本已经被淘汰。大浪淘沙，只剩下X86、MIPS和ARM三分天下。

X86架构：固定终端领域

1978年，X86架构由Intel率先推出。国内早期的286、386等其实是处理器型号，但命名显然受到了X86架构的影响。

x86架构让Intel走上腾飞之路

1911年就成立的IBM对于当时的Intel来说是举足轻重的核心客户。IBM考虑到如果Intel倒闭，供货渠道就会出问题，于是要求Intel将X86架构授权AMD使用。Intel被迫妥协，于是AMD也就有了X86架构技术。

X86架构的指令集最初只设计到32位（一次处理数据的能力是32位，最多处理4个字节的数据）。在这种架构基础上设计的CPU也被称为32位CPU。

Intel被大家熟悉的32位CPU有赛扬、奔腾系列。AMD同期是Athlon（速龙）系列CPU。

随着科技的不断发展，32位CPU已经无法满足实际需求。于是AMD在X86架构基础上进行扩展，最终形成了新的架构AMD64（有时也称为x64）。

AMD64是基于x86架构扩展而来，可以看做是x86架构的更迭产品

与此同时，Intel不愿意在原本X86架构基础上扩展，捣鼓出了新的IA64架构。

可惜IA64在实际运用中不敌AMD64，最终被淘汰。Intel也被迫采用了AMD64的架构，设计64位CPU。

时至今日，基于X86架构的CPU主要是Intel和AMD两家厂商，主要占据个人电脑、工作站以及服务器市场。

ARM架构：移动终端领域

1985年，ARM架构由Acorn电脑公司团队设计推出。后来Acorn公司没落，处理器设计部门被分出来，组成了一家新公司，这就是ARM公司。

英国芯片设计公司，2016年被孙正义的日本软银收购

ARM公司最初也和Intel，AMD公司一样自己生产处理器，但市场反响平平。由于资金问题，公司做出了一个十分大胆的决定：自己不制造CPU，只将CPU的设计方案授权给其他公司，由它们来生产。至此，ARM转变为著名的技术提供商，类似Google将Android系统授权其他移动设备厂商使用一样。

专注于技术领域，ARM架构也因此经历多次产品更迭。由ARMv1架构发展到现在的ARMv8架构。ARMv8之前都是采用32位指令集，ARMv8采用了64位指令集。

ARM架构的CPU主要覆盖移动终端、平板电脑和智能电视市场。

MIPS架构：其他嵌入式领域和新兴领域

1981年由MIPS科技公司开发的基于RISC指令集的架构。1999年公布MIPS64。

MIPS架构同样基于RICS精简指令集

MIPS与ARM属于直接竞争关系。但由于ARM公司率先采用技术授权模式发展，并大获成功。因此在移动终端领域使用MIPS架构的处理器并不多。于是MIPS转到ARM暂时没有涉足的领域。

目前基于MIPS架构构建的处理器在个人游戏设备、数码相机、数字电视、宽带设备、激光打印机这些领域上应用非常广泛。被我们大家所熟知的索尼PS2的处理器、中国龙芯处理器（早期）、佳能数码相机的处理器等都是基于MIPS架构。

MIPS和ARM都面向低功耗领域，这里对X86架构与后两者之间的区别进行分析。

那么，X86架构和ARM架构和MIPS架构的区别有哪些呢？

1、最本质的区别就是X86采用CISC指令集，后两者采用RISC指令集。

2、设计方向不同。

由于采用CISC指令集，X86架构的目标就是解决复杂的运算，实现高性能。而后两者的目标首先是低功耗，因此在性能上无法与X86架构相比。发展到今天，苹果基于ARM架构下的M1芯片性能已经能与Inteli3/i5相媲美。但在高端CPU领域依然有所差距。

3、64位计算模式不同

X86架构的64位计算是由AMD在X86基础上扩展而成的AMD64架构完成。

ARM在64位计算上基于最新ARMv8架构。这种架构内部执行模式可以分为两种：一种负责执行32位运算，一种负责执行64位的运算。这有点类似汽车的ECO（经济）和SPORT（运动）模式的区别。

从这点上看，ARM显然要比X86更灵活。

4、效率差异

同样是因为设计理念的不同，采用RISC指令集的ARM在处理富有逻辑的指令时效率比X86架构更高。但在处理复杂乱序指令时，效果就没有采用CISC指令集的X86架构强了。

5、面向市场不同

X86只考虑高性能，不考虑低功耗，因此主要用于一般的计算机处理系统。而后两者主要面向对功耗和空间有很高要求的嵌入式系统领域。

可以看到，目前全球主流市场的CPU架构完全被国外把持。那么中国有没有自研的CPU架构呢？

敬请关注《芯片有话说》系列，第二篇：中国CPU架构的自研之路

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