x86架构和arm架构处理器分析

目录:

1.两种cpu架构:冯洛伊曼和哈佛

2.x86架构和arm架构分析

3.x86架构和arm架构功耗探究

 

一.两种cpu架构:

    目前主流的cpu处理器都采用了冯洛伊曼架构或者哈佛架构,那么这和x86\arm架构的关系是什么呢, 冯洛伊曼和哈佛这两个架构指的是cpu架构,是控制数据和代码存储的架构. 而x86和arm架构指的的cpu控制指令的集合,每一个指令代表cpu内部设计的一个硬件电路实现.在具体分析x86和arm架构前先分析下cpu存储架构:
    1.哈佛结构:


    哈佛结构(英语：Harvard architecture):是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度，如Microchip公司的 PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度.哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和储存的，执行时可以预先读取下一条指令。
    目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，除了上面提到的Microchip公司的PIC系列芯片，还有摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ATMEL公司的AVR系列和安谋公司的ARM9、ARM10和ARM11，51单片机也属于哈佛结构

    2.冯·诺伊曼结构:

    也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同，如英特尔公司的8086中央处理器的程序指令和数据都是16位宽。本结构隐约指导了将储存装置与中央处理器分开的概念，因此依本结构设计出的计算机又称储存程式型电脑
最早的计算机器仅内涵固定用途的程式。例如一个计算器仅有固定的数学计算程式，它不能拿来当作文书处理软件，更不能拿来玩游戏。若想要改变此机器的程式，你必须更改线路、更改结构甚至重新设计此机器。而储存程式型电脑的概念改变了这一切。借由创造一组指令集结构，并将所谓的运算转化成一串程式指令的执行细节，让此机器更有弹性。借着将指令当成一种特别型态的静态资料，一台储存程式型电脑可轻易改变其程式，并在程控下改变其运算内容。冯·诺伊曼结构与储存程式型电脑是互相通用的名词，其用法将于下述。而哈佛结构则是一种将程式资料与普通资料分开储存的设计概念,但是它并未完全突破冯.诺伊曼架构。
    储存程式型概念也可让程式执行时自我修改程式的运算内容。本概念的设计动机之一就是可让程式自行增加内容或改变程式指令的内存位置，因为早期的设计都要使用者手动修改。但随着索引暂存器与间接位置存取变成硬件结构的必备机制后，本功能就不如以往重要了。而程式自我修改这项特色也被现代程式设计所弃扬，因为它会造成理解与除错的难度，且现代中央处理器的管线与快取机制会让此功能效率降低。
从整体而言，将指令当成资料的概念使得组合语言、编译器与其他自动编程工具得以实现；可以用这些“自动编程的程式”，以人类较易理解的方式编写程式[1]；从局部来看，强调I/O的机器，例如Bitblt，想要修改画面上的图样，以往是认为若没有客制化硬件就办不到。但之后显示这些功能可以借由“执行中编译”技术而有效达到。
此结构当然有所缺陷，除了下列将述的冯·诺伊曼瓶颈之外，修改程式很可能是非常具伤害性的，无论无意或设计错误。在一个简单的储存程式型电脑上，一个设计不良的程式可能会伤害自己、其他程式甚或是操作系统，导致当机。缓冲区溢位就是一个典型例子。而创造或更改其他程式的能力也导致了恶意软件的出现。利用缓冲区溢位，一个恶意程式可以覆盖呼叫堆栈（Call stack）并覆写程式码，并且修改其他程式档案以造成连锁破坏。内存保护机制及其他形式的存取控制可以保护意外或恶意的程式码更动。

评论：

哈佛结构和冯.诺依曼结构都是一种存储器结构。哈佛结构是将指令存储器和数据存储器分开的一种存储器结构；而冯.诺依曼结构将指令存储器和数据存储器合在一起的存储器结构。哈佛结构与冯·诺依曼结构的最大区别在于冯·诺依曼结构的计算机采用代码与数据的统一编址，而哈佛结构是独立编址的，代码空间与数据空间完全分开。

二.x86架构和arm架构差异点分析:
英文缩写：
ISA指令集架构，Instruction Set Architecture 
CISC复杂指令集计算机，Complex Instruction Set Computer 
RISC精简指令集计算机，Reduced Instruction Set Computer 
EPIC显性并行指令计算，Explicitly Parallel Instruction Computing
MMX多媒体扩展指令集，Multi Media Extended
SSE单指令多数据流扩展，Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 
1>硬件的功能逻辑实现不同:

    什么是架构,我们要明白CPU是一个执行部件，它之所以能执行，也是因为人们在里面制作了执行各种功能的硬件电路，然后再用一定的逻辑让它按照一定的顺序工作， 这样就能完成人们给它的任务。也就是说，如果把CPU看作一个人，首先它要有正常的工作能力（既执行能力），然后又有足够的逻辑能力（能明白做事的顺 序），最后还要听的懂别人的话（既指令集），才能正常工作。而这些集中在一起就构成了所谓的“架构”，它可以理解为一套“工具”、“方法”和“规范”的集 合。不同的架构之间，工具可能不同，方法可能不同，规范也可能不同，这也造成了它们之间的不兼容——你给一个意大利泥瓦匠看一份中文写成的烹饪指南，他当 然不知道应该干什么了。

2>CISC和RISC

    cpu对于机器码的每一个bit的解释都不同，arm是类risc中比较成功的一种，指令集简单，所有指令都是32位或者16位的，而cisc的x86不等长，所以指令预测都比risc要难做一些。
    如果还看不懂，没关系，我们继续。从CPU发明到现在，有非常多种架构，从我们熟悉的X86，ARM，到不太熟悉的MIPS，IA64，它们之间的差距都 非常大。但是如果从最基本的逻辑角度来分类的话，它们可以被分为两大类，即所谓的“复杂指令集”与“精简指令集”系统，也就是经常看到的“CISC”与 “RISC”。属于这两种类中的各种架构之间最大的区别，在于它们的设计者考虑问题方式的不同。我们可以继续举个例子，比如说我们要命令一个人吃饭，那么 我们应该怎么命令呢？我们可以直接对他下达“吃饭”的命令，也可以命令他“先拿勺子，然后舀起一勺饭，然后张嘴，然后送到嘴里，最后咽下去”。从这里可以 看到，对于命令别人做事这样一件事情，不同的人有不同的理解，有人认为，如果我首先给接受命令的人以足够的训练，让他掌握各种复杂技能（即在硬件中实现对 应的复杂功能），那么以后就可以用非常简单的命令让他去做很复杂的事情——比如只要说一句“吃饭”，他就会吃饭。但是也有人认为这样会让事情变的太复杂， 毕竟接受命令的人要做的事情很复杂，如果你这时候想让他吃菜怎么办？难道继续训练他吃菜的方法？我们为什么不可以把事情分为许多非常基本的步骤，这样只需 要接受命令的人懂得很少的基本技能，就可以完成同样的工作，无非是下达命令的人稍微累一点——比如现在我要他吃菜，只需要把刚刚吃饭命令里的“舀起一勺 饭”改成“舀起一勺菜”，问题就解决了，多么简单。
    这就是“复杂指令集”和“精简指令集”的逻辑区别。可能有人说，明显是精简指令集好啊，但是我们不好去判断它们之间到底谁好谁坏，因为目前他们两种指令集 都在蓬勃发展，而且都很成功——X86是复杂指令集（CISC）的代表，而ARM则是精简指令集（RISC）的代表，甚至ARM的名字就直接表明了它的技 术：Advanced RISC Machine——高级RISC机。
    这就是RISC和CISC之间不好直接比较性能的原因，因为它们之间的设计思路差异太大。这样的思路导致了CISC和RISC分道扬镳 ——前者更加专注于高性能但同时高功耗的实现，而后者则专注于小尺寸低功耗领域。实际上也有很多事情CISC更加合适，而另外一些事情则是RISC更加合 适，比如在执行高密度的运算任务的时候CISC就更具备优势，而在执行简单重复劳动的时候RISC就能占到上风，比如假设我们是在举办吃饭大赛，那么 CISC只需要不停的喊“吃饭吃饭吃饭”就行了，而RISC则要一遍一遍重复吃饭流程，负责喊话的人如果嘴巴不够快（即内存带宽不够大），那么RISC就 很难吃的过CISC。但是如果我们只是要两个人把饭舀出来，那么CISC就麻烦得多，因为CISC里没有这么简单的舀饭动作，而RISC就只需要不停喊 “舀饭舀饭舀饭”就OK。
    这就是CISC和RISC之间的区别。但是在实际情况中问题要比这复杂许许多多，因为各个阵营的设计者都想要提升自家架构的性能。这里面最普遍的就是所谓 的“发射”概念。什么叫发射？发射就是同时可以执行多少指令的意思，例如双发射就意味着CPU可以同时拾取两条指令，三发射则自然就是三条了。现代高级处 理器已经很少有单发射的实现，例如Cortex A8和A9都是双发射的RISC，而Cortex A15则是三发射。ATOM是双发射CISC，Core系列甚至做到了四发射——这个方面大家倒是不相上下，但是不要忘了CISC的指令更加复杂，也就意 味着指令更加强大，还是吃饭的例子，CISC只需要1个指令，而RISC需要5个，那么在内存带宽相同的情况下，CISC能达到的性能是要超过RISC的（就吃饭而言是5倍），而 实际中CISC的Core i处理器内存带宽已经超过了100GB/s，而ARM还在为10GB/s而苦苦奋斗，一个更加吃带宽的架构，带宽却只有别人的十分之一，性能自然会受到非 常大的制约。为什么说ARM和X86不好比，这也是很重要的一个原因，因为不同的应用对带宽需求是不同的。一旦遇到带宽瓶颈，哪怕ARM处理器已经达到了 很高的运算性能，实际上根本发挥不出来，自然也就会落败了。

    说到这儿大家应该也已经明白CISC和RISC的区别和特色了。简而言之，CISC实际上是以增加处理器本身复杂度作为代价，去换取更高的性能，而 RISC则是将复杂度交给了编译器，牺牲了程序大小和指令带宽，换取了简单和低功耗的硬件实现。但如果事情就这样发展下去，为了提升性能，CISC的处理 器将越来越大，而RISC需要的内存带宽则会突破天际，这都是受到技术限制的。所以进十多年来，关于CISC和RISC的区分已经慢慢的在模糊，例如自 P6体系（即Pentium Pro）以来，作为CISC代表的X86架构引入了微码概念，与此对应的，处理器内部也增加了所谓的译码器，负责将传统的CISC指令“拆包”为更加短小 的微码（uOPs）。一条CISC指令进来以后，会被译码器拆分为数量不等的微码，然后送入处理器的执行管线——这实际上可以理解为RISC内 核+CISC解码器。而RISC也引入了指令集这个就逻辑角度而言非常不精简的东西，来增加运算性能。正常而言，一条X86指令会被拆解为2～4个 uOPs，平均来看就是3个，因此同样的指令密度下，目前X86的实际指令执行能力应该大约是ARM的3倍左右。不过不要忘了这是基于“同样指令密度”下 的一个假设，实际上X86可以达到的指令密度是十倍甚至百倍于ARM的。

3>采用不同指令集

    最后一个需要考虑的地方就是指令集。这个东西的引入，是为了加速处理器在某些特定应用上性能而设计的，已经有了几十年的历史了。而实际上在目前的应用环境 内，起到决定作用的很多时候是指令集而不是CPU核心。X86架构的强大，很多时候也源于指令集的强大，比如我们知道的ATOM，虽然它的X86核心非常 羸弱，但是由于它支持SSE3，在很多时候性能甚至可以超过核心性能远远强大于它的Pentium M，这就是指令集的威力。目前X86指令集已经从MMX，发展到了SSE，AVX，而ARM依然还只有简单而基础的NEON。它们之间不成比例的差距造成 了实际应用中成百上千倍的性能落差，例如即便是现今最强大的ARM内核依然还在为软解1080p H.264而奋斗，但一颗普通的中端Core i处理器却可以用接近十倍播放速度的速度去压缩1080p H.264视频。至少在这点上，说PC处理器的性能百倍于ARM是无可辩驳的，而实际中这样的例子比比皆是。这也是为什么我在之前说平均下来ARM只有 X86几十分之一的性能的原因。

    打了这么多字，其实就是为了说明一点，虽然现在ARM很强大，但它距离X86还是非常遥远，并没有因为这几年的进步而缩短，实际上反而在被更快的拉大。毕 竟它们设计的出发点不一样，因此根本不具备多少可比性，X86无法做到ARM的功耗，而ARM也无法做到X86的性能。这也是为什么ATOM一直以来都不 成功的原因所在——Intel试图用自己的短处去和别人的长处对抗，结果自然是不太好的，要不是Intel拥有这个星球上最先进的半导体工艺，ATOM根 本都不可能出现。而ARM如果尝试去和X86拼性能，那结果自然也好不到哪儿去，原因刚刚也解释过了。不过这也不意味着ARM以后就只能占据低端，毕竟任 何架构都有其优点，一旦有应用针对其进行优化，那么就可以扬长避短。X86的繁荣也正是因为整个世界的资源都针对它进行了优化所致。只要能为ARM找到合 适的应用与适合的领域，未来ARM也未必不可以进入更高的层次

4>寻找方式不同
    寻址方式也不一样，这个就得看各个架构的reference manual了。这方面一个比较大的区别是x86使用了分段（实际上在linux中，绕过了分段模式，但是cpu确实是分段的），而arm是分页。
    至于是否冯诺依曼或者哈佛，这个没有太多争论的必要，目前为止我所接触过的纯粹哈佛结构的只有51系列的单片机。在arm9以上的带独立 icache/dcache的cpu中，从cache的角度来看确实是哈佛结构的，因为icache和dcache和外部总线的接口是截然分离的，而从实 际的外部总线系统设计来看，你依然可以认为是冯诺依曼的，因为代码和数据共用了外部的amba总线，并且都在一个地址空间中，并没有真正分离。这样的设计对于当前的操作系统来说是最合理，最方便的

三.ARM和X86功耗差别:
     ARM和X86功耗的差别一直是个很热的话题.ARM可以做的很低,甚至1瓦都不到.而X86服务器的芯片可以达到100-200瓦,就算是嵌入式处理器 Atom系列也需要几瓦.很多人说这是指令集的关系.ARM采用精简指令集,X86采用复杂指令集,前者每条功能简单,单挑指令耗电低.而后者每条指令复 杂,单个指令耗电高.但是这种解释很模糊.如果大家都做同样的事情,完成一个大功能,精简指令集需要指令较多,而复杂指令集需要指令少,加起来到底谁耗电 多呢.还有,现在处理器普遍采用微指令,大的指令会被拆分成更小的指令,以达到更高的流水线效率.简单指令集的单条微指令和复杂指令集的单条微指令相比的 话,情况就更复杂.我手头没有关于比较的具体数据,但是至少前文所列出关于功耗和指令集相关的解释不是很有说服力.

    今天碰到一个资深人士,总算找到一个比较合理的解释.

    首先,功耗和工艺制程相关. ARM的处理器,不管是哪家,主要是靠台积电等专业制造商生产的.而Intel的是自己的工厂制造的.一般来说后者比前者的工艺领先一代,也就是2-3 年.如果同样的设计,造出来的处理器因该是Intel的更紧凑,比如一个是22纳米,一个是28纳米,同样功能肯定是22纳米的耗电更少.
    那为什么反而ARM的比X86耗电少得多呢.这就和另外一个因素相关了,那就是设计.
    设计又分为前端和后端设计,前端设计体现了处理器的构架,精简指令集和复杂指令集的区别是通过前端设计体现的.后端设计处理电压,时钟等问题,是耗电的直接因素.
    先说下后端怎么影响耗电的.我们都学过,晶体管耗电主要两个原因,一个是动态功耗,一个是漏电功耗.动态功耗是指晶体管在输入电压切换的时候产生的耗电, 而所有的逻辑功能的0/1切换,归根结底都是时钟信号的切换.如果时钟信号保持不变,那么这部分的功耗就为0.这就是所谓的门控时钟(Clock Gating).而漏电功耗可以通过关掉某个模块的电源来控制(Power Gating).当然,其中任何一项都会使得时钟和电源所控制的模块无法工作.他们的区别在于,门控时钟的恢复时间较短,而电源控制的时间较长.此外,如 果条单条指令使用多个模块的功能,在恢复功能的时候,并不是最慢的那个模块的时间,而可能是几个模块时间相加,因为这牵涉到一个上电次序(Power Sequence)的问题,也就是恢复工作时候模块间是有先后次序的,不遵照这个次序,就无法恢复.而遵照这个次序,就会使得总恢复时间很长.所以在后端 这块,可以得到一个结论,为了省电,可以关闭一些暂时不会用到的处理器模块.但是也不能轻易的关闭,否则一旦需要,恢复的话会让完成某个指令的时间会很 长,总体性能显然降低.此外,子模块的门控时钟和电源开关通常是设计电路时就决定的,对于操作系统是透明的,无法通过软件来优化.
    再来看前端.ARM的处理器有个特点,就是乱序执行能力不如X86.换句话说,就是用户在使用电脑的时候,他的操作是随机的,无法预测的,造成了指令也无 法预测.X86为了增强对这种情况下的处理能力,加强了乱序指令的执行.此外,X86还增强了单核的多线程能力.这样做的缺点就是,无法很有效的关闭和恢 复处理器子模块,因为一旦关闭,恢复起来就很慢,从而造成低性能.为了保持高性能,就不得不让大部分的模块都保持开启, 并且时钟也保持切换.这样做的直接后果就是耗电高.而ARM的指令强在确定次序的执行,并且依靠多核而不是单核多线程来执行.这样容易保持子模块和时钟信 号的关闭,显然就更省电.
    此外,在操作系统这个级别,个人电脑上通常会开很多线程,而移动平台通常会做优化,只保持必要的线程.这样使得耗电差距进一步加大.当然,如果X86用在 移动平台,肯定也会因为线程少而省电.凌动系列(ATOM)专门为这些特性做了优化,在一定程度上降低乱序执行和多线程的处理能力,从而达到省电.
    此外,现在移动处理器都是片上系统(SoC)结构,也就是说,处理器之外,图形,视频,音频,网络等功能都在一个芯片里.这些模块的打开与关闭就容易预测 的多,并且可以通过软件来控制.这样,整体功耗就更加取决于软件和制造工艺而不是处理机结构.在这点上,X86的处理器占优势,因为Intel的工艺有很 大优势,而软件优化只要去做肯定就可以做到.
    以上原因我觉得较好的解释了ARM和X86的功耗差别.