現代處理器的主要指令集架構

? ?現代處理器的主要指令集架構（ISA）包括：x86指令集架構、RISC指令集架構。

CISC盡可能將任務一次性做完，高效但費腦（性能高、功耗大）；

RISC則是將任務拆解，分次做完，雖然對個人能力要求不高（性能低、功耗?。?，代價是效率更低。

其中，x86可以劃分為x86-32（英特爾）、x86-64（英特爾）、AMD64（AMD）等三種。RISC可以劃分為ARM、MIPS、Alpha、RISC-V。國產CPU在信創市場已形成“四種技術路徑（x86、ARM、MIPS、Alpha）、六大主要廠商（兆芯、海光、鯤鵬、飛騰、龍芯、申威）”的發展格局。

1、x86指令集

第一個方面，x86指令集為了保持二進制的兼容性，即：上一代芯片的應用程序仍然能運行在下一代芯片中，使之前后系列的芯片成為一個“系列機”，擴展了許多新的指令，導致x86指令集的規模不斷膨脹。

第二個方面，x86指令集在設計時，采取了一種強指令的方式，即：一條指令可以完成非常強大的功能。例如，一條指令可以完成內存不同位置的整個運算過程，或將一塊數據直接從內存的一個位置移動到另一個位置，而且這種強大的操作是在1個時鐘周期內完成的。

上圖列出了英特爾官方統計的指令數量變化。在將近40年的發展歷史中，x86由不足200條指令到今天超過1600條指令。

上圖列出了x86指令集的MOV指令種類，其可以跳過一系列底層的微操作，實現一個較為復雜的指令功能。

基于以上的設計理念，x86指令集有以下的優點或缺點。注意，缺點也許是優點，優點也許是缺點，這是馬克思辯證唯物主義的思想。

由于需要兼容以往的歷史版本，x86的硬件設計復雜，這也成為了其歷史包袱。但是，塞翁失馬、焉知非福，二進制的兼容性獲得了IBM的強力支持，讓英特爾快速占領了PC和臺式機市場。

一條指令的功能很強，這降低了對編譯器的要求。另外，不需要考慮那么多的底層指令，早期的匯編程序員面對x86編程時也較為輕松。

多條高效率的指令并行，讓單個核的性能強大。早期的處理器，單核架構足以滿足應用需求。

必須要大量的冗余晶體管，以實現這種CISC復雜指令集設計。冗余的晶體管帶來了大量的面積和功耗開銷。

如今，x86指令集在筆記本、臺式機、服務器等場景取得了近乎壟斷的優勢，和IBM有著緊密的聯系?？梢哉f，IBM的選擇成就了x86指令集的今天，并成就了英特爾這家曾經名不見經傳的小公司。

以上兩段文字引自technews、半導體行業觀察，其簡要描述了IBM早期的選擇及其巨大的市場成功。

2、ARM指令集

在上世紀80年代，計算機科學家們分析了大量的程序，發現80%的指令是很少用到的，處理器頻繁地使用20%的那部分指令，比如Load指令、條件分支指令、Store指令、比較指令。如下圖所示，該表格引自《計算機體系結構：量化研究方法（第六版）》。作者是David Patterson、John Hennessy。

關于ARM深入知識，請參考文章“ARM處理器架構和天梯圖解析”、“ARM v8處理器概述、架構、及技術介紹”、“飛騰系和鯤鵬系：國產Arm架構CPU服務器正在崛起”、“收藏：從全球超算戰略看ARM指令架構在HPC領域的發展”、“亞馬遜最新Arm服務器芯片詳解”和“計算芯片變革：ARM取代x86成為趨勢”等。

因此，早期的RISC指令集、MIPS指令集應運而生，它們砍掉了大量不常用的冗余指令，只保留了最基本、最常用、功能最簡單的指令集合?；谶@種RISC指令集設計的處理器架構代表是ARM架構，為了便于不同客戶進行定制化修改，其每代均會推出以下三個授權版本：

Cortex-A內核，面向高性能應用。

Cortex-R內核，面向實時系統。

Cortex-M內核，面向嵌入式設備場景。

相比于x86指令集（CISC復雜指令集），ARM這種RISC精簡指令集的變化主要是：

第一個方面，原來大量的冗余指令，以及由于歷史原因兼容的指令，都在統計結果的基礎上予以刪除。

第二個方面，原來的一條x86強指令，在ARM中被多條基本的簡單指令替代。

舉一個例子：CISC提供的乘法指令，調用時可完成內存a和內存b中的兩個數相乘，結果存入內存a，需要多個CPU周期才可以完成；而RISC不提供“一站式”的乘法指令，需調用四條單CPU周期指令完成兩數相乘：內存a加載到寄存器，內存b加載到寄存器，兩個寄存器中數相乘，寄存器結果存入內存a。

基于以上的設計理念，或者說，在這樣的底層邏輯下，ARM指令集的處理器架構有如下優點或缺點：

砍掉了大量的x86冗余硬件設計，使得DEC譯碼器的設計更加簡單，節省了大量的面積和功耗開銷。

一條ARM指令的功能更加單一和基本，這種指令相比于x86的強指令可以稱之為”弱指令“，執行這樣的弱指令所需的功耗進一步降低。

由于原來一條x86強指令就可以搞定的事情，在ARM這里需要多條弱指令組合來做，大幅提高了編譯器的設計難度，同時提高了匯編語言編程的難度。

由于ARM指令集的處理器，相比于x86指令集的處理器，其在硬件結構上更加簡單，因此，單個ARM核的面積和功耗更小，但是其性能也更弱小。這就導致了我們堆疊多個弱小的ARM核來打一個強大的x86核。

3、RISC-V指令集

RISC架構隨后經歷了RISC-I（1981）、RISC-II（1983）、RISC-III（1984）到RISC-IV（1988）四代，卻始終未能得到重視。但在這個過程中，RISC的設計理念催生一系列新架構如MIPS、IBM PowerPC以及現在統治移動邊緣端的ARM。

關于RISC-V深入知識，請參考文章“RISC-V科普：理解開源ISA架構”、“玄鐵RISC-V處理器入門及實踐”、“開放指令集與開源芯片發展報告（RISC-V和MPIS）”、“關于RISC-V和開源處理器誤區解讀”、“深度：RISC-V指令集架構和全球落地”、“深度：RISC-V技術和指令集架構”和“深度報告：RISC-V架構分析（50頁PPT)”。

21世紀初期，受當時開源運動在操作系統和應用軟件領域取得了巨大成功（如Linux等）的影響，為開源芯片設計帶來了嶄新的前景。

大家認為，RISC-V有望創造繼x86、Arm之后的第三波芯片浪潮。RISC-V的靈活性，對定制化、碎片化場景的支撐力度良好，因此目前主要應用于物聯網等終端領域，但在電腦、服務器等領域也已經有了一些嘗試。國內RISC-V發展重要事件有：

2018 年9 月 中國RISC-V 產業聯盟宣布成立。

2018 年11 月 中國開放指令生態（RISC-V）聯盟宣布成立，由倪光南院士擔任聯盟理事長。

2018 年11月 RISC-V 基金會中國顧問委員會宣布成立。

2019 年7月 阿里巴巴平頭哥發布高性能玄鐵910 RISC-V 處理器。

2019 年8月 兆易創新發布全球首個基于RISC-V 內核32 位通用MCU。

2020 年3月 基金會總部從美國搬遷到瑞士，宣稱是規避政治風險。

2023年8 月，RISC-V中國峰會在京開幕，中國工程院院士倪光南、RISC-V國際基金會CEO 卡莉斯塔·雷德蒙德等出席峰會。

2023年11月，阿里平頭哥推出了三款基于RISC-V架構的玄鐵系列處理器，即將大規模商用。

4、指令集總結

這兩種指令集之間的關系就好比是兩種不同的烹飪風格。有些廚房可能更偏向于復雜多樣的烹飪方式，而有些廚房則更喜歡簡單高效的烹飪方式。同樣地，CPU的設計者可以根據不同的需求選擇使用CISC或者RISC指令集來設計CPU，以滿足不同的應用場景和性能要求。

x86架構：封閉架構，由英特爾和AMD牢牢掌握話語權，AMD給HG授權zen1架構；VIA（臺灣威盛）曾獲得x86架構Licence授權，后來被Z芯收購；20多年來沒有第四家授權，其他芯片公司想用也用不了。

主流架構，生態好，由于被Intel和AMD壟斷導致封閉狀態，影響了國產x86 CPU廠商的創新進程，目前仍然主要處于“消化、吸收”與“小創新”階段，但其優勢在于能兼容Wintel等原有x86生態；

Arm架構：開放架構，雖然由Arm公司所有，但授權開放，需要花錢購買。目前，H為和F騰擁有ARM v8架構永久性授權；阿里平頭哥、中興等國內廠商購買了ARM v9 架構IP授權。

主流架構，生態較好，由于開放授權的商業授權模式，使得國產ARM CPU廠商能夠進行更大程度的創新，使得更自主，但需要付出昂貴的授權費。至于是否發展中國自主的ARM v9指令集（進入自主創新階段），目前無法知悉，但考量因素肯定與生態有關，可能還沒有到跟國際ARM生態“脫鉤”階段，畢竟ARM生態在快速追趕x86。

MIPS架構：開放架構，目前已開放了MIPS指令集的R6版本，以Wave Computing管理，但也難挽頹勢，最后宣布終止開發，加入RISC-V基金會。LX前期基于MIPS架構授權研發，后衍生出LoongArch自主架構。

小眾架構，生態弱，加上Wave Computing母公司“叛變”加入RISC-V基金會，國產CPU廠商不得不踏上“自主創新”階段，直接犧牲掉MIPS原本就單薄的生態。自主創新固然難得可貴，但是需要重新構建自主生態，可謂是“任重道遠”。

Alpha架構：開放架構，目前已經無實體主張該指令集的權利，但相關專利已被HP、Intel等瓜分。申W前期基于Alpha架構，后衍生出SW64自主架構。

小眾架構，生態弱，加上很早就沒“媽”了（無實體公司運營），所以國產CPU廠商選擇“自主創新”，自然是順理成章！自主創新固然難得可貴，但是單薄的生態，注定只能在小眾市場進行落地。

RISC-V架構：開源架構，最特殊，不屬于任何機構或國家，開源免費，想用就用，運營成本全靠基金會的兄弟們幫襯。由阿里平頭哥主導，越來越多的創業公司加入RISC-V架構陣營。

審核編輯：湯梓紅