为什么会产生那么多处理器的指令集？

鸣涧

为什么会产生那么多处理器的指令集？

处理器的指令集是一组处理器能够理解和执行的指令的集合。每个指令都代表了一种基本的操作，如加法、减法、乘法等。指令集架构定义了处理器的指令集和执行方式。

常见的指令集架构

• x86：
  
  
  • 发展历史： x86指令集最早于1978年由Intel推出，最初用于8086处理器。后来，x86架构逐渐演进，包括80386、80486、Pentium系列等，一直发展到当前的64位架构。
  • 主要特点： 复杂的指令集，向后兼容性强，广泛用于个人计算机和服务器。支持多种操作模式，包括实模式、保护模式和长模式。
  • 发明公司： Intel是x86指令集的主要发明者，AMD（Advanced Micro Devices）也是x86架构的许多实现的制造商之一。
    
    
• ARM：
  
  
  • 发展历史： ARM指令集最初由Acorn Computers于1983年设计，用于其8位处理器。随后，ARM架构逐渐演进为32位和64位架构，成为移动设备和嵌入式系统的主流架构。
  • 主要特点： 精简指令集（RISC），低功耗设计，广泛用于移动设备和嵌入式系统。ARM架构具有可伸缩性，可用于多种设备。
  • 发明公司： ARM指令集的设计由ARM Holdings公司负责，后被SoftBank收购。
    
    
• MIPS：
  
  
  • 发展历史： MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）指令集最早于1981年由MIPS计算机系统公司推出。MIPS处理器曾在工作站和服务器领域取得一定成功。
  • 主要特点： 精简指令集（RISC），具有高性能和高效能的特点。常用于嵌入式系统、网络设备和一些高性能计算场景。
  • 发明公司： MIPS指令集的设计由MIPS计算机系统公司完成，后来MIPS被Imagination Technologies收购。
    
    
• PowerPC：
  
  
  • 发展历史： PowerPC指令集最早于1991年由IBM、摩托罗拉和苹果共同开发，用于替代68k架构。PowerPC曾被苹果电脑采用，后来转向使用x86架构。
  • 主要特点： RISC架构，具有高性能和可伸缩性。曾广泛应用于苹果电脑和IBM的一些服务器产品。
  • 发明公司： IBM、摩托罗拉和苹果共同合作开发PowerPC指令集。
    
    
• SPARC：
  
  
  • 发展历史： SPARC（Scalable Processor Architecture）指令集架构最早由Sun Microsystems在1987年推出，用于其工作站和服务器产品线。后来，SPARC被Oracle收购。
  • 主要特点： RISC设计，用于高性能计算领域，尤其在科学和工程计算中表现良好。支持多线程处理。
  • 发明公司： Sun Microsystems是SPARC指令集的主要发明者。
    
    
• RISC-V：
  
  
  • 发展历史： RISC-V是一种开源指令集架构，由加州大学伯克利分校的研究团队开发。于2010年首次发布，成为一种开放且免费的指令集标准。
  • 主要特点： RISC设计，开源免费，可伸缩性强。适用于各种应用领域，包括教育、研究和商业产品。
  • 发明公司： 由加州大学伯克利分校的研究团队开发，RISC-V国际联盟推动其标准。
    
    
• Itanium (IA-64)：
  
  
  • 发展历史： Itanium指令集架构是由Intel和HP（惠普）共同开发的，于2001年发布。设计用于高性能计算和企业服务器。
  • 主要特点： VLIW（Very Long Instruction Word）设计，旨在提供高性能计算能力。然而，Itanium在市场上并没有取得广泛成功。
  • 发明公司： Intel和HP（惠普）是Itanium指令集的共同发明者。
    
    
• VLIW（Very Long Instruction Word）：
  
  
  • 发展历史： VLIW并不是一种具体的指令集，而是一种指令执行的方式。Itanium (IA-64)采用了VLIW设计理念，试图通过并行执行来提高性能。
  • 主要特点： VLIW设计侧重于在指令流水线中实现指令的并行执行，以提高处理器性能。然而，成功应用VLIW的例子相对较少。
  • 发明公司： VLIW并非由特定公司发明，而是一种设计理念，被用于一些特定的处理器架构中，如Itanium。
    
    

这些指令集架构在不同的时期和领域都有过重要的影响，每一种都在特定的应用场景中发挥了关键的作用。

CISC VS  RISC

在这8个指令集架构中，可以将它们分为RISC（精简指令集计算机）和CISC（复杂指令集计算机）两大类：

RISC（精简指令集计算机）:

• ARM
• MIPS
• PowerPC
• SPARC
• RISC-V
  
  

CISC（复杂指令集计算机）:

• x86
• Itanium (IA-64)
• VLIW（Itanium采用的设计理念）
  
  

解释一下：

• RISC（精简指令集计算机）： 这些架构的设计理念是采用一组相对简单、基本操作的指令，力求每个指令的执行时间相对较短。RISC架构通常注重简洁性、高性能和低功耗。例如，ARM、MIPS、PowerPC、SPARC和RISC-V都属于RISC架构。
• CISC（复杂指令集计算机）： 这些架构的设计理念是提供一组更复杂、丰富的指令，其中一条指令可以执行多个低层次的操作。CISC架构通常注重灵活性和功能的多样性。例如，x86和Itanium属于CISC架构。VLIW并非指令集架构，而是一种执行方式，但在Itanium中使用。
  
  

需要注意的是，这个划分并不是绝对的，因为随着技术的发展，一些处理器架构可能在设计中采用了混合的特征，不完全符合RISC或CISC的传统定义。例如，一些现代的x86处理器在设计上也引入了一些RISC风格的特征。

RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器.这样一来，它能够以更快的速度执行操作。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。

纽约约克镇IBM研究中心的[url=]John Cocke[/url]证明，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，他于1974年提出了RISC的概念。

CISC(complexinstruction set computer,复杂指令集计算机）　除了RISC，任何全指令集计算机都使用的是复杂指令集计算（CISC）。

目前常见使用RISC的处理器包括[url=]DEC Alpha[/url]、ARC、ARM、MIPS、PowerPC、SPARC和SuperH等。

常见使用CISC的处理器主要有X86.

RISC和CISC的区别：

（1） 指令系统：RISC 设计者把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。对不常用的功能，常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。而CISC 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。　　

（2） 存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。　　

（3） 程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。　

（4） 中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。　　

（5） CPU芯片电路：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。　　

（6） 设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。　　

（7） 用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。　　

（8） 应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。

x86架构的处理器虽然最初设计为CISC（复杂指令集计算机），但在后续的发展中，处理器制造商采取了一些技术手段，引入了一些RISC（精简指令集计算机）风格的特征。这样做的目的是提高执行效率、降低功耗和提升性能。以下是一些原因：

• 复杂指令集的历史： x86架构最初设计时采用了CISC的理念，提供了大量丰富而复杂的指令，以便为程序员提供更高层次的抽象和功能。然而，随着时间的推移，这些复杂的指令集带来了一些执行上的复杂性和功耗问题。
• 微操作和微指令： x86处理器在内部执行时，会将复杂的CISC指令转化为一系列更简单的微操作或微指令。这个内部的微操作集合可以看作是RISC风格的指令集。通过在内部进行这种转换，处理器能够更高效地执行指令。
• 动态指令调度： 现代x86处理器通常具备动态指令调度的功能，即处理器在运行时重新排列和调度指令，以最大程度地利用执行单元，减少空闲周期。这种技术与RISC处理器的乱序执行有相似之处。
• 超标量执行和流水线技术： x86处理器采用了超标量执行和流水线技术，使得处理器能够同时执行多条指令。这种并行性有助于提高整体性能，类似于一些RISC处理器的设计。
• 指令级并行性： 引入了一些指令级并行性的技术，例如超标量和超流水线，使得处理器能够同时处理多个指令，提高了整体性能。
  
  

通过结合上述技术，x86处理器在执行CISC指令时能够更高效地利用硬件资源，减小了CISC指令集所带来的一些潜在性能问题。这也使得现代x86处理器在性能和功耗方面能够与一些RISC架构的处理器竞争。

为什么有多种指令集?

• 应用需求： 不同的应用对指令的需求不同。一些应用可能更适合使用特定的指令集，因为它们提供了更高的性能或更方便的编程模型。
• 性能优化： 不同的指令集可以在不同的方面进行优化，如浮点运算、多媒体处理等。处理器设计者选择特定的指令集以提高性能。
• 兼容性： 为了保持与之前的处理器的兼容性，一些新的处理器仍然支持旧的指令集。这样，现有的软件可以在新处理器上运行而无需修改。
• 行业标准： 一些指令集成为行业标准，因为它们被广泛采用。这样，软件开发者可以编写与多个处理器兼容的代码。
• 特殊用途： 一些处理器被设计用于特殊用途，例如嵌入式系统、图形处理器（GPU）等，它们可能采用专门的指令集以满足特殊需求。
• 自主可控的需求：由于美国政府对华为实施的制裁，ARM Holdings暂停了与华为的合作。这一制裁导致ARM停止向华为提供新的设计和技术支持。此时，能够掌握自主可控的需求，从公司战略和更高层面的战略，都称为了新需求。这也是导致ARM独霸天下的时期，RISC-V快速增长。
  
  

RISC群雄逐鹿，为什么ARM雄起

ARM（Acorn RISC Machine）的成功可以归因于几个关键因素，使其在众多RISC（精简指令集计算机）架构中脱颖而出：

• 初衷为嵌入式系统设计： ARM最初是为嵌入式系统设计而开发的，其设计目标是在低功耗和高性能之间找到平衡。这使得ARM架构非常适用于移动设备、嵌入式系统和其他依赖于低功耗和高效能的领域。
• 可伸缩性： ARM的架构被设计为高度可伸缩的，从简单的嵌入式系统到高性能服务器，都可以采用ARM处理器。这种灵活性使得ARM在多个市场中都能够应用，并逐渐形成广泛的生态系统。
• 合作模式和授权设计： ARM采用了一种授权设计的商业模式。ARM本身并不生产芯片，而是通过授权给其他公司使用其架构，使得许多公司可以基于ARM设计和生产自己的处理器。这种模式促进了ARM生态系统的发展，使得众多厂商能够开发适用于不同市场的ARM架构处理器。
• 低功耗设计： ARM架构的设计注重低功耗，这对于移动设备和便携式电子设备至关重要。ARM处理器通常能够提供良好的性能同时保持低功耗，使得其在移动设备领域获得了广泛应用。
• 行业标准和广泛采用： ARM架构成为了一种行业标准，被广泛采用。许多公司选择ARM作为其处理器架构，这进一步推动了ARM在市场上的发展。
• 技术创新： ARM持续进行技术创新，不断推出新的架构版本和处理器设计。这有助于ARM保持竞争力，并满足不断发展的市场需求。
  
  

综合这些因素，ARM成功地在众多RISC指令集中发展起来，成为全球最成功的嵌入式和移动处理器架构之一。其设计理念、灵活性和可伸缩性使得ARM在不同领域都取得了成功，并在持续变化的科技市场中保持领先地位。