CPU架构与指令集的关系

1 CPU架构

CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标示。目前市面上的CPU分类主要分有两大阵营，一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU，另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。两个不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，例如，Intel、AMD的CPU是X86架构的，而IBM公司的CPU是PowerPC架构，ARM公司是ARM架构。

2 指令集

计算机指令就是指挥机器工作的指示和命令，程序就是一系列按一定顺序排列的指令，执行程序的过程就是计算机的工作过程。指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。指令的强弱也是CPU的重要指标，指令集是提高微处理器效率的最有效的工具之一。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分。

复杂指令集，也称为CISC指令集，英文名是CISC，（Complex Instruction Set Computing的缩写）。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。其实它是英特尔生产的x86系列（也就是IA-32架构）CPU及其兼容CPU，如AMD、VIA的。即使是现在新起的X86-64（也被称为AMD64）都是属于CISC的范畴。

精简指令集（RISC:Reduced Instruction Set Computing RISC）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于80年代的MIPS主机（即RISC机），RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来，它能够以更快的速度执行操作（每秒执行更多百万条指令，即MIPS）。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John Cocke证明，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，于1974年，他提出RISC的概念。许多当前的微芯片都使用RISC概念。

复杂指令集与精简指令集区别简化指令与复杂指令的区别！好文 - 楚广明 - 博客园 (cnblogs.com)

主流的CPU架构按照复杂和精简指令集可以按照如下区分：

CISC：x86；
RISC：arm、RISC-V、LoongArc（龙芯）、MIPS；

3 x86、ARM、MIPS和loongARC架构的特点比较

(1) x86

架构特征：指令系统庞大，功能复杂，寻址方式多，且长度可变，有多种格式;各种指令均可访问内存数据;一部分指令需多个机器周期完成;复杂指令采用微程序实现;系统兼容能力较强。

架构优势：x86 架构兼容性强，配套软件及开发工具相对成熟，且 x86 架构功能强大，高效使用主存储器，因此在处理复杂指令和商业计算的运用方面有较大优势。

主要应用领域或使用场景：服务器、工作站和个人计算机等。

(2) ARM

架构特征：指令长度固定，易于译码执行;大部分指令可以条件式地执行，降低在分支时产生的开销，弥补分支预测器的不足;算数指令只会在要求时更改条件编码。

架构优势：ARM 结构具有低功耗、小体积的特点，聚焦移动端市场，在消费类电子产品中具有优势。

主要应用领域或使用场景：智能手机、平板电脑、工业控制、网络应用、消费类电子产品等。

(3) MIPS

架构特征：采用 32 位寄存器;大多数指令在一个周期内执行;所有指令都是 32 位，且采用定长编码的指令集和流水线模式执行指令;具有高性能高速缓存能力，且内存管理方案相对灵活。

架构优势：MIPS 结构设计简单、功耗较低，在嵌入式应用场景具有优势。

主要应用领域或使用场景：桌面终端、工业、汽车、消费电子系统和无线电通信等专用设备等。

(4) loongARC

架构特征：融合X86/MIPS/ARM等主流指令系统的主要特点，高效支持二进制翻译。保持典型RISC风格：定长 32通用定/浮点 load-store结构；取消延迟槽，新增以PC为源操作的运算指令；实现位操作等多数指令集选择增加的指令。

4 CPU架构与指令集关系

CPU的硬件结构，即架构，一旦确定，那么使用该架构的CPU能实现的功能大体上是一样的，而且去实现该功能的指令集也大体上一样的。

设计CPU架构即决定了指令集，如X86指令集，是因为该CPU采用了X86结构，所以才叫X86指令集；指令集是指某种架构CPU能实现的所有功能，这些功能对应的代码编号构成指令集；代码编号应该就是指机器码这种底层代码，某种架构CPU架构确定后，代码编号就确定了，这些编号反映了CPU以什么样的方式去执行某些功能，决定了硬件的执行方式；前面说这些代码编号可能就是机器码，机器码就是二进制数字，二进制数字反映在电路上就是高低电平，从而驱动电路运行；不同代码编号的二进制数字排列就不同，所以驱动电路的高低电平就不同，所以电路执行的方式就不同。

相同的功能<-不同的电路实现<-不同架构的CPU<-不同的指令集<-汇编语言<-同一个程序

总结：不同架构的CPU，最终体现在CPU实现相同功能的方式不同，或者有的CPU具有其它CPU实现不了的功能，是某种架构独有的；而不同指令集实现对上层代码进行不同的翻译，对下操作不同的电路实现。

参考链接：关于CPU 架构与指令集的一些个人理解 - warmbeast - 博客园 (cnblogs.com)