RISC和CISC的區(qū)別 ARM架構(gòu)簡(jiǎn)述

基本原理（記住1Byte=8bit）：

電子計(jì)算機(jī)本質(zhì)上是通過給三極管 (或MOS管用半導(dǎo)體材料如硅和硒制成的) 的基極輸送不同的電壓（大于或小于0.7伏特，再講就深了，今天先不講了），進(jìn)而控制三極管對(duì)電容進(jìn)行充電和放電，實(shí)際是通過控制電子的流動(dòng)（所以叫做電子計(jì)算機(jī)，個(gè)人理解），抽象出0和1的表示。圖1中紅線標(biāo)出的內(nèi)存，每行可以理解為8個(gè)電容，由內(nèi)存控制器控制充放電以及讀取電壓，充電狀態(tài)(與地電壓（電勢(shì)差）大于3.3V)表示1，放電狀態(tài)（電壓小于1.8V）表示0，紅線部分的寬度永遠(yuǎn)是8bit，不會(huì)變。有專門的的電路對(duì)這些電容的充放電狀態(tài)進(jìn)行讀取，比如讀到了某Byte的8個(gè)電容是00000110，就表示十進(jìn)制數(shù)字6，（當(dāng)然也有可能理解為96，比如某些摩托羅拉芯片下，大尾或小尾從左還是從右開始算的區(qū)別，超出本文討論范圍）

驅(qū)動(dòng)：

簡(jiǎn)單來說，CPU與內(nèi)存之間通過若干根連線（地址、控制、數(shù)據(jù)總線）來交互信息，比如把0x00F800C這個(gè)內(nèi)存地址的第2個(gè)BIT位寫為1，就會(huì)觸發(fā)顯卡讀取某些內(nèi)存地址里的內(nèi)容并顯示到顯示器上。（實(shí)際上顯示設(shè)備和內(nèi)存之間也有連線，實(shí)現(xiàn)DMA操作，深了今天不講）。當(dāng)然為什么寫第2個(gè)BIT位就能觸發(fā)某種動(dòng)作，這是人為規(guī)定的，叫做架構(gòu)規(guī)范，架構(gòu)后面通過一系列復(fù)雜的電路來實(shí)現(xiàn)這個(gè)規(guī)定，比如intelx86規(guī)定內(nèi)存地址0x00F800C的第2個(gè)BIT位寫1可以觸發(fā)顯示動(dòng)作，而ARMv8架構(gòu)下，雖然同樣都是觸發(fā)顯示動(dòng)作，但不一定是操作這個(gè)位。這就是兩種架構(gòu)的差異。如果你作為程序員，編寫Intelx86架構(gòu)下的顯卡驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)際是在編寫程序來操作0x00F800C地址Byte的第2個(gè)BIT位。這個(gè)特定位是通過將基地址+偏移寫進(jìn)芯片的datasheet來告知芯片應(yīng)用者(公司)的。比如這個(gè)例子中，0x00F8000是基地址，而C是偏移，用0x00F8000+0x0C來表示實(shí)際地址。這是一個(gè)極其聰明和有用的規(guī)定，這樣做的好處，后面章節(jié)會(huì)詳細(xì)描述。

64位與32位:是指圖1中的綠線和黃線標(biāo)出的部分，在32位CPU模式下，某個(gè)地址是十六進(jìn)制表示為00F8000C,這里每個(gè)數(shù)字包含4個(gè)二進(jìn)制bite位，共32位。而64位狀態(tài)下，這個(gè)數(shù)字實(shí)際是 0000000000F8000C，有64個(gè)bit位。在CPU內(nèi)部有寄存器，intel 80x86架構(gòu)的寄存器名稱是ax,bx,cx等，而ARM架構(gòu)下是r0,r1,r2,r3,r4,r5等，寄存器的寬度也分32位和64位。在ARMv7以及以前的架構(gòu)中，只有32位。在2013年ARM推出64位架構(gòu)ARMv8，寄存器是64位寬，相應(yīng)的寄存器名稱為x0,x1,x2,x3等。在C語(yǔ)言中，64位和32位的差異體現(xiàn)在sizeof(指針)上，實(shí)際代表的是內(nèi)存地址的寬度，注意是圖1中綠線標(biāo)出的寬度，不是紅線，紅線永遠(yuǎn)是8bit寬，不要混淆。

指令集：

CPU讀取硬盤或FLASH的上物理位置從0到4K之間的一段二進(jìn)制流，這段流稱為程序，這段程序的大小就是4K，CPU把這段程序?qū)懭雰?nèi)存地址0x00000000到0x00001000 (這里0x00001000=4096=4K)，之后，CPU內(nèi)的PC寄存器內(nèi)寫入0x00000000,表示從內(nèi)存地址0處開始執(zhí)行機(jī)器指令。本質(zhì)是讀出該地址后4個(gè)地址（指令長(zhǎng)度規(guī)定，指令周期涉及CPU主頻，再講就深了，后面再開貼）中共4Byte長(zhǎng)度的二進(jìn)制數(shù)字，比如讀到了52800e01，這個(gè)數(shù)字實(shí)際上對(duì)應(yīng)的是一套電路編號(hào)，執(zhí)行的操作是add r0,r1,意思是將r0和r1中存放的數(shù)字相加，把結(jié)果寫進(jìn)r0,這個(gè)過程實(shí)際上是調(diào)用編號(hào)為52800e01的電路來完成的，而這種不同編號(hào)的電路的集合，就是所謂的指令集。Intel CPU用的是復(fù)雜指令集CISC（Complex Instruction Set Computer），前面說的add r0,r1，這是一個(gè)CPU指令，實(shí)際對(duì)應(yīng)一套復(fù)雜的電路實(shí)現(xiàn)（包含若干電阻電容MOS等）。intel80x86系統(tǒng)有300條指令，就表示至少有300套不同的電路來實(shí)現(xiàn)這300個(gè)功能。 而ARM采用的是精簡(jiǎn)指令集RISC(Reduced Instruction Set Computer)，有100條指令，實(shí)際對(duì)應(yīng)100套不同的電路裝置來實(shí)現(xiàn)這100個(gè)功能。我們用一個(gè)簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言函數(shù)來剖析RISC和CISC的區(qū)別:

int test_mul(void)

{

return 6*8;

}

這個(gè)函數(shù)算出6乘以8，返回結(jié)果，我們來看看實(shí)際執(zhí)行時(shí)，CISC和RISC的差別（此處為了簡(jiǎn)潔明了的闡述我們的問題，實(shí)際過程比這個(gè)復(fù)雜，我們提綱挈領(lǐng)，再講就深了，后面有空再開貼）

（圖2

從圖中可以看出，同樣是實(shí)現(xiàn)6乘以8的功能，RISC用加法來實(shí)現(xiàn)，把8連續(xù)加了6次，也就是說調(diào)用了6次add電路來實(shí)現(xiàn)的，而CISC直接調(diào)用乘法電路，實(shí)現(xiàn)了6*8，你可以粗淺地理解為RISC很精簡(jiǎn)，沒有乘法電路。當(dāng)然，隨著CPU技術(shù)的發(fā)展，RISC和CISC一直在互相學(xué)習(xí)，取長(zhǎng)補(bǔ)短慢慢融合了，目前界限已沒有那么明顯。從例子可以看出，CISC程序編碼簡(jiǎn)單。而RISC程序編碼相對(duì)復(fù)雜，因?yàn)殡娐贩N類較少，實(shí)現(xiàn)同樣的功能需要用僅有的電路來變通實(shí)現(xiàn)。C語(yǔ)言編譯器和操作系統(tǒng)共同作用，屏蔽了這種差異中的大部分內(nèi)容，使得不同芯片環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)相同功能的代碼變得大同小異（記住是大同小異，實(shí)際還是有差異）。

理解了RISC和CISC，我們?cè)賮碚務(wù)凙RM。在單片機(jī)時(shí)代，有很多設(shè)計(jì)以及制造芯片的公司，比如飛利浦，飛思卡爾，意法半導(dǎo)體，ARM，恩智浦等公司，當(dāng)然，領(lǐng)頭羊還是Intel.這些公司中ARM比較獨(dú)特，他依托牛津劍橋科研實(shí)力，不做具體的芯片，只設(shè)計(jì)指令集（電路），這些人很聰明，他們深知，市面上存在多種芯片，但實(shí)現(xiàn)原理都是大同小異，所以他們專注于研發(fā)各種科學(xué)且合理的指令電路的設(shè)計(jì)，并將自己的設(shè)計(jì)形成了規(guī)范，這個(gè)規(guī)范就是ARMvX架構(gòu)，從8位時(shí)代的ARMv1，到32位的ARMv7,再到64位的ARMv8又叫ARM64,這些不同的架構(gòu)規(guī)范，后面對(duì)應(yīng)的一整套R(shí)ISC指令集，也就是電路圖，ARM公司的商業(yè)模式是出售指令集授權(quán)。比如ARM公司將ARMv4的指令集(電路圖)工藝以及實(shí)現(xiàn)樣片等打包授權(quán)給賣三星公司，三星拿到的是ARMv3的核心架構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，里面包含了RISC 指令集的實(shí)現(xiàn)電路圖，三星在這個(gè)核架構(gòu)的基礎(chǔ)上添加自己的外設(shè)，比如I2C模塊及引腳、GPU顯示增強(qiáng)模塊及引腳、汽車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)CAN模塊及引腳，AI人工智能計(jì)算模塊等，將CPU核以及這些外設(shè)模塊集成到一塊芯片中，命名為ARM7-S3C44B0X芯片，另一款基于ARMv5架構(gòu)生產(chǎn)出的芯片產(chǎn)品命名為S5P4418-ARM9等，投放市場(chǎng)出售。

至此，你應(yīng)該明白了ARM，ARMv7以及ARM7的概念了，ARMv7是架構(gòu)名，ARM7是基于ARMv3架構(gòu)生產(chǎn)的一個(gè)芯片的產(chǎn)品名稱。到ARM11芯片之后，ARM公司更改了芯片的命名規(guī)則，由老的ARMx改為 Cortex系列，簡(jiǎn)言之：

Cortex-M系列：M-Profile，即"Microcontroller" -Profile，側(cè)重微控制器單片機(jī)方面的場(chǎng)合。

Cortex-R系列：R-Profile，即"Real-Time"-Profile，側(cè)重于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的場(chǎng)合。

Cortex-A系列： A-Profile，即“Application”-Profile，側(cè)重于應(yīng)用功能的場(chǎng)合。

比如我司生產(chǎn)的Hi3798mv200芯片，大的架構(gòu)基于ARMv8（又叫ARM64）的，而ARMv8中又有Cortex A53分支，準(zhǔn)確表達(dá)應(yīng)該是:華為Hi3798mv200是基于ARMv8的Cortex-A53系列的一款芯片。下面是從wiki百科扣的圖，從中可以窺出ARM家族的架構(gòu)和產(chǎn)品系列的一斑。

基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的ARMvX架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)制造出的芯片，好處非常多，生產(chǎn)芯片的目的是顯然是為了運(yùn)行應(yīng)用程序。一個(gè)典型的場(chǎng)景是linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用，華為和三星生產(chǎn)了兩款不同的cortex A53芯片，內(nèi)核架構(gòu)是相同的，不同的是外設(shè)基地址，請(qǐng)參考前面“驅(qū)動(dòng)”章節(jié)的描述。Linux操作系統(tǒng)移植到華為和三星的這兩款芯片上，只需要修改相關(guān)外設(shè)所對(duì)應(yīng)的的頭文件中的基地址就可完成大部分功能的移植（注意是大部分，不是全部），當(dāng)然這依賴于linux開源系統(tǒng)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)?；趌inux以及android系統(tǒng)之上的應(yīng)用，也實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，基本不會(huì)出現(xiàn)一個(gè)app既要開發(fā)基于三星芯片的版本，又要開發(fā)基于華為芯片的另外一個(gè)版本的情況，從而推進(jìn)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)鏈的大發(fā)展（請(qǐng)對(duì)比考慮基于X86 linux和基于armv8 linux的確是需要開發(fā)兩套不同的APP版本的情況），ARM統(tǒng)一架構(gòu)的好處是顯而易見的。Intel顯然已經(jīng)意識(shí)到這種優(yōu)勢(shì)，自己也買了ARM的授權(quán)，推出相應(yīng)的“ARM核”芯片產(chǎn)品。

劃重點(diǎn)，有助于理解，試想這樣一個(gè)場(chǎng)景:有四款cpu，分別是1.intel x86_64，2.三星Cortex a57，3.華為Cortex a53，4.博通bcm2837，這4款cpu運(yùn)行的都是64位linux 4.0，現(xiàn)在有個(gè)app要上市，請(qǐng)問這個(gè)app需要上架幾個(gè)不同版本？答案是兩個(gè)，intelx86一個(gè)，其他三個(gè)同一個(gè)。?為什么是兩個(gè)？根本原因是前面所說的指令集和驅(qū)動(dòng)。

最后，再來談?wù)勎宜就瞥龅腁RM芯片服務(wù)器，從本質(zhì)上來看，我認(rèn)為這種服務(wù)器在功耗方面與Intel x86系列差別不大，這是數(shù)字電路的原理使然，VOH和VOL（請(qǐng)百度）的邏輯電平是一樣的，差別在于電路工藝以及散熱等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 我個(gè)人粗淺地認(rèn)為，ARM服務(wù)器的優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn)：

1.生態(tài)優(yōu)勢(shì)，主要是基于ARM linux 之上的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)鏈，前文已有闡述。

2.開源優(yōu)勢(shì)，因?yàn)锳RM的生態(tài)鏈上公司很多，各個(gè)公司在商業(yè)實(shí)踐過程中會(huì)產(chǎn)生各種新的改良建議和想法，ARM架構(gòu)集中了太多的智慧，而Intel實(shí)際是在單打獨(dú)斗。
編輯：hfy