一文看透指令集、微架构、CPU

一、微处理器的指令集架构（Instruction Set Architecture）分类

复杂指令集运算（Complex Instruction Set Computing，CISC）；

精简指令集运算（Reduced Instruction Set Computing，RISC）；

显式并行指令集运算（Explicitly Parallel Instruction Computing，EPIC）；

超长指令字指令集运算（Very Long Instruction Word，VLIW）；

最常见的是CISC和RISC。

二、仔细品品四种指令集

1、CISC:从计算机诞生以来，人们一直沿用CISC指令集方式。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是目前家用机的主要处理器类型。

基于CISC指令集的处理器有哪些？

>>>>>目前X86架构微处理器如Intel的Pentium/Celeron/Xeon与AMD的Athlon/Duron/Sempron；以及其64位扩展系统的x86-64的架构的EM64T的Pentium/Xeon与AMD64的Athlon 64/Opteron都属于CISC系列。

>>>>>主要针对的操作系统是微软的Windows。

2、RISC:RISC是在CISC指令系统基础上发展起来的，有人对CISC机进行测试表明，各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20％，但在程序中出现的频度却占80％。复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使处理器的研制时间长，成本高。并且复杂指令需要复杂的操作，必然会降低计算机的速度。基于上述原因，20世纪80年代RISC型CPU诞生了，相对于CISC型CPU，RISC型CPU不仅精简了指令系统，还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”，大大增加了并行处理能力。相比CISC而言，RISC的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少，它只要求硬件执行很有限且最常用的那部分执令，大部分复杂的操作则使用成熟的编译技术，由简单指令合成。目前在中高档服务器中普遍采用这一指令系统的CPU，特别是高档服务器全都采用RISC指令系统的CPU。

基于RISC指令集的处理器有哪些？

>>>>>IBM的PowerPC处理器、SUN公司SPARC处理器、HP公司的PA-RISC处理器、MIPS公司MIPS处理器、Alpha处理器以及ARM都采用了RISC指令集，。

>>>>>目前只有UNIX，Linux，MacOS等操作系统运行在RISC处理器上。

3、VLIW:一种非常长的指令组合，它把许多条指令连在一起，增加了运算的速度。 VLIW的基本思路是:处理器在一个长指令字中赋予编译程序控制所有功能单元的能力，使得编译程序能够精确地调度在何处执行每个操作、每个寄存器存储器读和每个转移操作。实际上，编译程序创立每个程序的执行记录，计算机则反演该记录。在早期的VLIW计算机中，如果编译程序出错，计算机将产生错误的结果，计算机没有逻辑来检验是否以正确的次序来读寄存器、是否重复使用资源。

基于VLIW指令集的处理器有哪些？

>>>>>目前基于这种指令架构的微处理器主要有Intel的IA-64和AMD的x86-64两种

>>>>>主要操作系统有微软安腾版的Windows系统、UNIX系统等。

4、EPIC:EPIC从VLIW中衍生出来。EPIC指令构架也叫做“IA-64架构”。每时钟周期例如IA-64可运行20条指令，而CISC通常只能运行1-3条指令，RISC能运行4条指令，可见VLIW要比CISC和RISC强大的多。

三、MIPS、ARM和X86架构又是什么，和指令集什么关系？

处理器（CPU）架构就是处理器的硬件架构，称为微架构。是一堆硬件电路，去实现指令集所规定的操作运算。其实就是CPU的集中电路图纸，用来实现我们我们这些指令集，从而通过指令集就可以操作电路进而操作硬件。所以指令集决定了处理器的架构，因为处理器架构就是用硬件电路实现指令集。但是具体用什么样的处理器架构，设计怎样的硬件电路，每个人设计的都可以不一样。

当今处理器一共有三个最强大的架构，其中之一是以Intel和AMD为代表的X86架构，另外一个是手机，平板处理器所使用的ARM架构，最后一个便是我国龙芯处理器所选择的MIPS架构。

换句话说就是：X86架构是建立在CISC指令集上开发的CPU架构；ARM是建立在RISC指令集上开发的CPU架构；MIPS也是建立在RISC指令集上开发的CPU架构；

从某些方面来看，MIPS和ARM非常相似，都是采用精简指令集，都是针对低功耗应用设计，而且都是采用第三方授权方式生产；但实际上两者也有几大的不同，学院派的MIPS允许第三方对CPU架构进行大幅修改，而ARM只允许全球极少的几家半导体公司修改CPU架构（包括高通、苹果、NVIDIA和三星，全是半导体大拿），其他生产ARM芯片的公司都是直接采用ARM公版设计，而不能做任何修改（例如华为海思）。ARM的这项策略显然很适合商业推广，对第三方公司的技术要求也有所降低，开发的周期也会大大缩短，只需要照着ARM公版的CPU和GPU架构找芯片代工厂下单、流片、生产即可。

中国龙芯采用的都是64位MIPS指令架构，它与大家平常所知道的X86指令架构互不兼容，MIPS指令架构由MIPS公司所创，属于RISC体系。过去，MIPS架构的产品多见于工作站领域，索尼PS2游戏机所用的"Emotion Engine"也采用MIPS指令，这些MIPS处理器的性能都非常强劲，而龙芯2也属于这个阵营，在软件方面与上述产品完全兼容。普通用户关注MIPS主要还是因为我国所谓的"龙芯"。龙芯一开始抄袭MIPS，后来购买到了授权。倒也并非龙芯不想发展X86架构的桌面CPU市场或者ARM架构的移动设备市场，是因为这两家的授权太过于苛刻。X86的授权Intel已然不可能再授权。ARM是一家芯片设计公司，只能给出使用授权，不会同意让龙芯自行设计。只有MIPS才可行，MIPS的授权说白了就是随便抄随便改。很多龙芯的支持者提出了MIPS在理论上有诸多的领先，但不要忘了ARM是一家商业公司，市场占有率高，竞争意识也非常强。几乎所有的智能手机都是ARM架构，就是最有力的证明。

四、再来看看什么是汇编语言

汇编语言是用人类看得懂的语言来描述指令集。否则指令集的机器码都是一堆二进制数字，也就是机器语言，人类读起来非常麻烦，但汇编是用类似人类语言的方式描述指令集，读起来方便多了。要设计处理器，首先就需要有指令集，规定处理器相应操作，通过指令集去控制处理器实现相应功能。但处理器是一堆硬件电路，只能识别二进制数据，所以指令集是由一堆二进制数据组成。而二进制数据对人类来说读起来很麻烦。为了方便人类操作指令集，发明了汇编语言来描述指令集。汇编语言类似人类语言，读起来方便多了，至于汇编语言怎么转换成机器语言，是通过对应得汇编器来转换的。

虽然汇编语言读起来方便了，但也有缺陷。首先汇编语言操作起来还是挺麻烦的。其次汇编语言对应一条条指令集，所以当指令集改变时，就得修改相应汇编语言，导致其可移植性很差，不能跨平台使用，如ARM的汇编语言与Intel X86的就不同。这时人们就想开发一种更方便操作，超越指令集的语言，于是有了C，C++等高级语言。

但处理器只能识别二进制码，那怎么能识别高级语言呢？于是人们开发了编译器，依照如下顺序，将高级语言翻译成二进制码：高级语言汇编语言二进制机器码。至此，人类可以很方便的利用高级语言编写程序，控制处理器完成相应功能。然后程序员这个红火的职业就此大规模诞生了。

五、小结

经常有人会提到ARM架构、X86架构，也会说到某某处理器采用了ARM或者X86，记得计算机（台式机、平板、笔记本）里面能看到的那个东西叫CPU(中央处理器），是指令集或者微架构的物理实现，那个玩意都是有说的制造他的厂家，例如Intel处理器、ARM处理器、海思处理器、龙芯处理器，这些处理器都采用的那些架构就是前面提到的微架构（硬件架构），就是ARM架构、X86架构或者MIPS架构，这些架构再往上的区别就是指令集区别了，包括CISC、RISC、VLIW和EPIC，这些以后跟别人说起来的时候也能让自己逼格高一点。

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