前言

如果問(wèn)大家是否知道 CPU，我相信不會(huì)得到否定的答案，但是如果繼續(xù)問(wèn)大家是否了解 ARM 和 X86 架構(gòu)，他們的區(qū)別又是什么，相信可能部分人就會(huì)啞口無(wú)言了

目前隨著深度學(xué)習(xí)、高性能計(jì)算、NLP、AIGC、GLM、AGI 的技術(shù)迭代，助力大模型快速發(fā)展，對(duì)于多元算力結(jié)合（CPU+GPU）需求越來(lái)越高，再不了解 CPU 就說(shuō)不過(guò)去了，因此本文將會(huì)帶您深入了解 CPU 架構(gòu)，并且解析 CPU 兩大主流架構(gòu)：ARM 和 X86

簡(jiǎn)介

中央處理器（Central Processing Unit，CPU） 是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算核心和控制核心。CPU、內(nèi)部存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備是電子計(jì)算機(jī)三大核心部件。其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)

CPU 由運(yùn)算器、控制器和寄存器及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制及狀態(tài)的總線構(gòu)成。差不多所有的CPU的運(yùn)作原理可分為四個(gè)階段：提取（Fetch）、解碼（Decode）、執(zhí)行（Execute）和寫(xiě)回（Writeback）。 CPU從存儲(chǔ)器或高速緩沖存儲(chǔ)器中取出指令，放入指令寄存器，并對(duì)指令譯碼，并執(zhí)行指令

處理器系列

x86

Intel 系列： Celeron（賽揚(yáng)）、Pentium（奔騰）和Core（酷睿）從低端到高端

AMD 系列：Semporn（閃龍）Athlon（速龍）和 羿龍系列 從低端到高端

因?yàn)?Intel 為 x86 架構(gòu)處理器龍頭老大，因此后文某些地方可能使用 Intel 處理器代指 x86 架構(gòu)處理器

注：上面兩家公司主要做 x86 架構(gòu)，但是也會(huì)做 ARM 架構(gòu)，比如 2016 年 AMD 公司推出基于ARM架構(gòu)的處理器 Opteron A1100

ARM

基本就是英國(guó) ARM 公司的處理器系列，以及所有 ARM 公司授權(quán)的公司，諸如高通、蘋(píng)果（三星代做）、三星和華為

指令集區(qū)別

想要了解 X86 和 ARM，需要先了解復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer，簡(jiǎn)稱(chēng) CISC)和精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer，簡(jiǎn)稱(chēng) RISC）

復(fù)雜指令集

在 CISC 微處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個(gè)操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，但計(jì)算機(jī)各部分的利用率不高，執(zhí)行速度慢。CISC架構(gòu)的服務(wù)器主要以IA-32架構(gòu)(Intel Architecture，英特爾架構(gòu))為主，而且多數(shù)為中低檔服務(wù)器所采用

計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，有專(zhuān)用指令來(lái)完成特定的功能，因此，處理特殊任務(wù)效率較高。機(jī)器的存儲(chǔ)器操作指令多，操作直接。包含有豐富的電路單元，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大

適用領(lǐng)域：個(gè)人電腦和服務(wù)器

注：x86 架構(gòu) 主要采用 復(fù)雜指令集

精簡(jiǎn)指令集

RISC 是執(zhí)行較少類(lèi)型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于 80 年代的 MIPS 主機(jī) (即 RISC 機(jī))，RISC 機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱(chēng) RISC 處理器

RISC 處理器能夠以更快的速度執(zhí)行操作 (每秒執(zhí)行更多百萬(wàn)條指令，即 MIPS)。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類(lèi)型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會(huì)使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會(huì)更慢

因?yàn)樵O(shè)計(jì)者主要精力放在那些經(jīng)常使用的指令上，盡量使它們具有簡(jiǎn)單高效的特色，不常用功能會(huì)通過(guò)組合指令來(lái)完成，因此在RISC 機(jī)器上實(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)，效率可能較低，但可以利用流水技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)加以改進(jìn)和彌補(bǔ)

對(duì)存儲(chǔ)器操作有限制，使控制簡(jiǎn)單化。包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低

適用領(lǐng)域：移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)

注：**ARM 架構(gòu) ** 主要采用 精簡(jiǎn)指令集

總結(jié)

就 CPU 功耗來(lái)講，RISC 和 CISC 走了兩條不同道路。CISC 走的是性能路線，先把性能做上去，功耗其次。不斷地考慮如何散熱，使用金屬片，風(fēng)扇，水冷等多種設(shè)備降溫，因?yàn)橛迷?PC 上，耗電大不會(huì)有明顯的問(wèn)題。RISC走的是低功耗路線，面向的是需要用電池的場(chǎng)景，功耗低是首要原則，性能其次

64位計(jì)算

x86

ADM 公司首先開(kāi)發(fā)出 64 位版本的 x86 指令集，64 位的指令集名為 x86-64（簡(jiǎn)稱(chēng) x64）

Intel 公司認(rèn)為將自己 32 位 x86 架構(gòu)進(jìn)化出 64 位架構(gòu)，新架構(gòu)效率會(huì)很低，因此創(chuàng)建新 64 位處理器項(xiàng)目，名為 IA64，由此制造出 Itanium 系列處理器

后面 AMD 知道自己造不出能與 IA64 兼容的處理器，于是將 x86 擴(kuò)展，加入了 64 位尋址和 64 位寄存器。最終出來(lái)的架構(gòu)就是 AMD64，最終 ADM 成為了 64 位版本的 x86 處理器的標(biāo)準(zhǔn)。最后 Intel 將 Itanium 系列處理器徹底廢棄，并最終采用 AMD64

ARM

ARM 公司在看到移動(dòng)設(shè)備對(duì) 64 位計(jì)算的需求后，于 2011 年發(fā)布了 ARMv8 64 位架構(gòu)，基于原有的原則和指令集，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)明的 64 位架構(gòu)，ARMv8 使用了兩種執(zhí)行模式，AArch32 和 AArch64

ARM 設(shè)計(jì)的巧妙之處，是處理器運(yùn)行中可以無(wú)縫地在兩種模式間切換。這意味著 64 位指令的解碼器是全新設(shè)計(jì)的，無(wú)需兼顧 32 位指令，而處理器依然可以向后兼容

異構(gòu)計(jì)算

ARM 的 big.LITTLE 架構(gòu)處理解決當(dāng)今行業(yè)面臨的難題：如何創(chuàng)建既有高性能又有極佳節(jié)能效果的片上系統(tǒng) (SoC) 以延長(zhǎng)電池使用壽命

在 big.LITTLE 架構(gòu)里，處理器可以是不同類(lèi)型的。傳統(tǒng)的雙核或者四核處理器中包含同樣的 2 個(gè)核或者 4 個(gè)核。一個(gè)雙核 Atom 處理器中有兩個(gè)一模一樣的核，提供一樣的性能，擁有相同的功耗。ARM 通過(guò) big.LITTLE 向移動(dòng)設(shè)備推出了異構(gòu)計(jì)算。這意味著處理器中的核可以有不同的性能和功耗。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，使用低功耗核，而當(dāng)你運(yùn)行復(fù)雜的游戲時(shí)，使用的是高性能的核

big.Little 系統(tǒng)中兩個(gè)處理器之間高效無(wú)縫地切換工作負(fù)載是通過(guò)開(kāi)發(fā)高級(jí) ARM 系統(tǒng) IP 實(shí)現(xiàn)的，這樣可確保 Cortex-A15 和 Cortex-A7 處理器之間完全的高速緩存、I/O 的一致性

如果您想要詳細(xì)了解 big.LITTLE 的底層原理和機(jī)制，可以查看下方 ARM 官網(wǎng)解釋

官方解釋：

• big.LITTLE – Arm?
• Wayback Machine (archive.org)

功耗對(duì)比

以前人們的刻板印象，低功耗和高算力處理器就是涇渭分明，x86 架構(gòu)就是做高算力，ARM 架構(gòu)就是做低功耗

但是自從蘋(píng)果發(fā)布 M1 芯片（目前的 M2 芯片遠(yuǎn)超同等 x86 處理器性能），并且隨著其他 ARM 處理器的快速發(fā)展，人們才恍然驚覺(jué)，原來(lái)靠低功耗起家的 ARM 也能做高算力，可以真正做到更高性能和更低功耗

根據(jù) 2022 年 Ampere 公司給出的數(shù)據(jù)，其 CPU 的性能超越傳統(tǒng) x86 處理器 3 倍，性能功耗比領(lǐng)先近 4 倍，與 x86 服務(wù)器 CPU 相比，Ampere Altra 系列可用 50% 的能耗，提供 200% 的性能

參考鏈接

• 分不清ARM和X86架構(gòu)，別跟我說(shuō)你懂CPU！ - 知乎 (zhihu.com)
• ARM 與 x86：有何區(qū)別？ (redhat.com)
• CPU的基本概念 - 知乎 (zhihu.com)
• CPU的介紹與選擇，看完你懂了嗎？ - 知乎 (zhihu.com)
• 什么是 CPU？– 中央處理器詳解 – AWS (amazon.com)
• CISC和RISC的特點(diǎn)和區(qū)別 - 不是公子的小白 - 博客園 (cnblogs.com)
• CPU_X86架構(gòu)和ARM架構(gòu)入門(mén)篇-騰訊云開(kāi)發(fā)者社區(qū)-騰訊云 (tencent.com)

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