一文讀懂RISC-V與ARM

RISC-V和ARM是近年來備受關(guān)注的兩種處理器架構(gòu)。RISC-V是一種基于精簡指令集計(jì)算(RISC)原理的開源指令集架構(gòu)(ISA)，而ARM是一種專有ISA，由于其長期存在于嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備中，已成為嵌入式系統(tǒng)和移動設(shè)備的主導(dǎo)選擇。市場以及多年積累的信任和專業(yè)知識，贏得了廣泛的聲譽(yù)。

比較這兩種架構(gòu)對于了解它們的優(yōu)缺點(diǎn)以及它們對未來計(jì)算的潛在影響至關(guān)重要。

什么是 ISA（指令集架構(gòu)）？

每個(gè)處理器功能的核心在于其指令集架構(gòu) (ISA)，這是一個(gè)概述處理器可以理解和執(zhí)行的指令集的藍(lán)圖。它充當(dāng)硬件和軟件之間的基本橋梁，塑造處理器的功能和性能。ISA的選擇會影響軟件的開發(fā)方式，并對處理器的效率、兼容性和靈活性產(chǎn)生持久的影響。

ISA大致可分為兩種類型：開放式和封閉式。封閉式ISA，如ARM，是專有的，并由特定公司（此處為Arm Holdings）嚴(yán)格控制，提供既定的可靠性和兼容性，但限制定制。另一方面，以RISC-V為代表的開放ISA是社區(qū)驅(qū)動的，為定制提供更大的靈活性，促進(jìn)創(chuàng)新和適應(yīng)特定需求。

RISC-V 和ARM之間持續(xù)的爭論圍繞著它們所體現(xiàn)的不同ISA展開，每種ISA都提供獨(dú)特的優(yōu)勢和方法來滿足不斷變化的計(jì)算需求。

RISC-V 與ARM：背景和歷史

RISC-V

多年來，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展取得了重大進(jìn)展。歷史上x86架構(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位，推動了英特爾等巨頭的發(fā)展，但隨著ARM的出現(xiàn)，故事的新篇章開始了。最初專注于為移動設(shè)備創(chuàng)建節(jié)能處理器，ARM的成功鼓勵了向精簡指令集計(jì)算(RISC) 架構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

雖然ARM確實(shí)在市場上取得了成功，但它是一種專有架構(gòu)，需要支付許可費(fèi)用并在定制方面受到限制。這種專有性質(zhì)阻礙了小型企業(yè)、初創(chuàng)公司和研究人員充分參與先進(jìn)處理器的開發(fā)。RISC-V 旨在通過提供開源替代方案來解決這些限制。因此，RISC-V 開發(fā)背后的動機(jī)源于對處理器架構(gòu)領(lǐng)域更大開放、定制和創(chuàng)新的渴望。

RISC-V 起源于加州大學(xué)伯克利分校計(jì)算機(jī)科學(xué)系。該項(xiàng)目始于2010年，是由Krste Asanovi? 教授、David Patterson教授及其團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的一項(xiàng)研究工作。

第一個(gè)RISC-V規(guī)范于2011 年發(fā)布，RISC-V國際組織于2015年成立，以促進(jìn)RISC-V ISA 的采用和標(biāo)準(zhǔn)化。此后，該基金會已發(fā)展到擁有200多名成員，其中包括Google、NVIDIA 和Western Digital 等主要科技公司。RISC-V已在各個(gè)行業(yè)得到快速采用，多家公司開發(fā)并發(fā)布了基于RISC-V 的處理器和片上系統(tǒng)(SoC)。

RISC-V 歷史上的關(guān)鍵里程碑之一是2017年發(fā)布的RISC-V特權(quán)架構(gòu)規(guī)范，它定義了硬件和操作系統(tǒng)之間的接口。該規(guī)范促進(jìn)了更復(fù)雜的RISC-V處理器的開發(fā)，并促進(jìn)了Linux等操作系統(tǒng)向RISC-V平臺的移植。

另一個(gè)重要的里程碑是 2018 年發(fā)布了首款商用RISC-V處理器SiFive Freedom U540。該處理器展示了RISC-V在商業(yè)應(yīng)用中的可行性，并為業(yè)界進(jìn)一步采用該架構(gòu)鋪平了道路。

ARM

ARM代表高級RISC機(jī)器，起源于Acorn Computers，這是一家在20世紀(jì)80年代開發(fā)了Acorn RISC 機(jī)器架構(gòu)的英國公司。ARM架構(gòu)最初設(shè)計(jì)用于Acorn的個(gè)人計(jì)算機(jī)，重點(diǎn)關(guān)注功效和簡單性。1990年，Acorn Computers、Apple和VLSI Technology成立了一家名為Advanced RISC Machines Ltd. 的合資企業(yè)，后來成為ARM Holdings。

第一個(gè)ARM處理器ARM1于1985年推出，ARM2隨后于1986年推出。這些早期處理器主要用于Acorn的阿基米德系列計(jì)算機(jī)。然而，當(dāng)蘋果公司于1993年為其牛頓個(gè)人數(shù)字助理(PDA) 選擇ARM610處理器時(shí)，ARM架構(gòu)獲得了廣泛的認(rèn)可。這標(biāo)志著ARM在移動和嵌入式系統(tǒng)市場的主導(dǎo)地位的開始。

多年來，ARM開發(fā)了多個(gè)處理器系列，每個(gè)系列都針對特定的細(xì)分市場和性能要求。一些著名的ARM處理器系列包括用于高性能應(yīng)用的Cortex-A系列、用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的 Cortex-R 系列以及用于微控制器和低功耗設(shè)備的Cortex-M系列。

ARM的成功可歸功于其創(chuàng)新的許可模式，該模式允許半導(dǎo)體公司許可ARM的IP并根據(jù)其特定需求進(jìn)行定制。這種靈活性使得包括AMD這樣的行業(yè)巨頭在內(nèi)的多家公司能夠設(shè)計(jì)和制造針對不同應(yīng)用（從節(jié)能移動設(shè)備到高性能服務(wù)器）進(jìn)行優(yōu)化的基于ARM的CPU和GPU。這催生了基于ARM的處理器和設(shè)備的龐大生態(tài)系統(tǒng)，迄今為止，ARM芯片的出貨量已超過1800億顆。ARM芯片每年出貨量約為300億顆。

ARM 架構(gòu)已成為移動設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式系統(tǒng)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，蘋果、三星和高通等大公司的產(chǎn)品都依賴ARM處理器。