原创 X86&ARM架构

 2013-12-19 22:20  1482 14 16 分类: 消费电子

一、定义及发展：

1.X86是一个intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识特定微处理器执行的一些计算机语言指令集,X与处理器没有任何关系，它是一个对所有*86系统的简单的通配符定义,定义了芯片的基本使用规则, 1978年6月8日Intel发布了新款16位微处理器“8086”,标志着x86架构诞生,采用CISC指令集.

2.ARM指进阶精简指令集机器(Advanced RISC Machine),更早称作Acorn RISC Machine,是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构,广泛地使用在许多嵌入式系统设计,设计目标为低成本、高效能、低耗电的特性。1979年美国加州大学David Patterson教授提出了RISC概念.1985年Acorn公司推出ARM1,19***Acorn与Apple合作成立ARM新公司(Advanced RISC Machine).

二、性能及效率：

1.X86架构电脑比ARM结构的系统在性能方面要快得多、强得多。速度更快,制程工艺更高,在完成综合性工作方面相比ARM处于绝对优势,主要用于PC/Server/Storage等对性能要求比较高的产品.

2.ARM的优势不在于性能强大而在于效率，ARM采用RISC流水线指令集,在一些任务相对固定的应用场合其优势就能发挥得淋漓尽致,主要应用于行动通讯领域

二、CISC与RISC指令集

1. RISC(reduced instruction set computer)是相对于CISC(complex instruction set computer)而言的,开始的处理器都是CISC架构,随着时间演进有越来越多的指令集加入，但整个指令集中,只有约20％的指令常常会被使用到，约占整个程序的80％,因此David Patterson主张硬件应该专心加速常用的指令,较为复杂的指令则利用常用的指令去组合而提出RISC概念.

2. RISC与CISC优缺点:

a. RISC指令长度固定,方便CPU译码及简化译码器设计,而X86指令的长度是不定的且有几种不同的格式,造成X86 CPU的解码工作非常复杂和CPU工作停滞时间较长的弊端

b. RISC CPU使用LOAD/STORE模式尽量在CPU的缓存器（最快的内存组件）里操作,以避免额外的读取与加载时间.

c. RISC指令长度固定,更能受益于执行线路管线化(pipeline)后所带来的效能提升

d. RISC处理器简化,晶体管数量少,易于提升运作频率,比起同频率的CISC处理器,耗电量较低。

e. X86指令集架构只有8个通用寄存器,虽然INTEL采用寄存器重命名的技术来弥补这个缺陷,但造成了CPU过于复杂,流水线过长的局面.因为缺乏足够多的寄存器进行计算,必须使用堆栈来存放数据,而浪费大量的时间来使用FXCH指令

f.所有用于提高X86 CPU性能的方法,如寄存器重命名、巨大的缓冲器、乱序执行、分支预测、X86指令转化等等，都使CPU的芯片面积变得更大，也限制了工作频率的进一步提高，而额外集成的这些晶体管都只是为了解决X86指令的问题。

g. RISC的复杂指令需要由许多的小指令去完成,程序变得比较大,内存也占用比较多,程序变长代表着读取工作变得繁重,需要更多的时间将指令从内存加载至处理器内

2. 采用RISC架构处理特点:

a. 體積小、低功耗、低成本、高性能。

b. 大量使用寄存器，指令執行速度更快,

c. 大多數數據操作都在寄存器中完成,

d. 支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件

e. 尋址方式靈活簡單，執行效率高

f. 指令長度固定

三、扩展能力

1.X86结构的电脑采用“桥”的方式与扩展设备（如：硬盘、内存等）进行连接，而且x86结构的电脑出现了近30年，其配套扩展的设备种类多、价格也比较便宜，所以x86结构的电脑能很容易进行性能扩展，如增加内存、硬盘等。

2.ARM结构的电脑是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接，所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行（一般在产品设计时已经定好其内存及数据存储的容量），所以采用ARM结构的系统，一般不考虑扩展。基本奉行“够用就好”的原则。

四、操作系统兼容性及软件开发的便捷度

1.X86 系统在硬件和软件开发方面已经形成统一的标准,几乎所有x86硬件平台都可以直接使用微软的视窗系统及现在流行的几乎所有工具软件，所以x86系统在兼容性方面具有无可比拟的优势。

2.ARM系统几乎都采用Linux的操作系统,而且几乎所有的硬件系统都要单独构建自己的系统,与其他系统不能兼容,这也导致其应用软件不能方便移植，这一点一直严重制约了ARM系统的发展和应用。

3.X86 架构的系统推出已经近30年,用户的应用、软件配套、软件开发工具的配套及兼容已经非常成熟.使用X86电脑系统不仅有大量的第三方软件可供选择，也有大量的软件编程工具可以帮助您完成您所希望完成的工作。

4.ARM架构的系统因为硬件性能的制约、操作系统的精简、以及系统兼容等问题的制约，造成ARM系统缺少众多的编程工具和第三方软件可供选择及使用,ARM的编程语言大多采用C和JAVA,另外技术支持及维护人员相对较少.

5.结论是：基于x86电脑系统平台开发软件比ARM系统更容易、更简单、实际成本也更低，同时更容易找到第三方软件（免去自己开发的时间和成本），而且软件移植更容易。

五、功耗对比及对应用领域的影响

1.X86系统要适应各种应用的需求,其发展思路是:性能+速度,x86发展的方向和模式使其功耗一直居高不,高功耗导致了一系列X86系统无法解决的问题出现：系统的续航能力弱,体积无法缩小,稳定性差,对使用环境要求高等问题

2.ARM的设计及发展思路是:满足某个特殊方面的应用即可,在某一专项领域是最强的,哪怕在其他方面一无是处,这样ARM以其不是最强的技术不是很高级制程的制造工艺,生产出性能不是很强的电脑系统,但在某个专业应用方面则是最好的，特别是在众多终端应用，尤其在移动终端应用上占有绝对优势的统治地位，这个原因就是：功耗。

3.X86在服务器、工作站以及其他高性能运算等可以不考虑功耗和使用环境等应用条件时,X86系统占了优绝对优势

4.ARM在受功耗、环境等条件制约且工作任务固定的情况下ARM就占有很大的优势,尤其在手持式移动终端领域.

4.低功耗还意味着：

a.稳定性高：功耗越高电子元器件的稳定性和可靠性越差，对低功耗的产品只要选择好外围元件的品质，系统的稳定性不会有太大问题；

b.散热成本低和可以考虑更小的产品体积：对高功耗的产品不可避免要考虑散热问题,而散热设备的存在同时制约了产品的体积,对某些场合的应用构成致命的制约

c.功耗低对供电电源的要求低,功耗越高对电源的要求越高，电源的成本就越高。

d.功耗低电池的续航时间长,低噪音

e.功耗低对抗环境伤害的能力强：低功耗产品因为不用考虑散热，可以将产品密封保护起来，但高功耗产品必须散热，甚至需要风扇帮助散热，这样必然使很多的元件和线路裸露在空气中，被空气中的尘埃、湿气、酸碱物质等腐蚀。

六、硬件开发成本和软件开发成本

1. 硬件的开发成本

ARM实际上在CPU芯片中已经整合了几乎所有功能,几乎所有线路按原理图直接拉出就可以了,要扩展的部分一般不多外围零件也较少,开发及制造成本会比较低.而x86的外围线路很多,需要相当经验的工程师而且还有BIOS等设计,另外还需要很多扩展设备,成本较高

2. 软件的开发成本