RISC、CISC、ARM、X86、PowerPC、MIPS這些CPU體系架構有何區別?

CISC 和 RISC 是兩大主流的 CPU 指令集類型,其中 CISC 以 Intel、AMD 的 X86 架構為代表(Atom 使用精簡版的 X86 指令集),而 RISC 陣營則包括 ARM、MIPS、Power PC 等架構。

RISC、CISC、ARM、X86、PowerPC、MIPS這些CPU體系架構有何區別?

CISC(complex instruction set computer 複雜指令集計算機)

CISC 是一種微處理器指令集架構,每個指令可執行若干低階操作,諸如從內存讀取、儲存、和計算操作,全部集於單一指令之中。CISC 體系結構的設計策略是使用大量的指令,包括複雜指令。與其他設計相比,在CISC中進行程序設計要比在其他設計中容易,因為每一項簡單或複雜的任務都有一條對應的指令。程序設計者不需要寫一大堆指令去完成一項複雜的任務。 但指令集的複雜性使得CPU和控制單元的電路非常複雜。在CISC指令集的各種指令中,約有 20% 的指令會被反覆使用,佔整個程序代碼的 80%,而餘下的 80% 指令卻不經常使用,在程序設計中只佔 20%。

RISC(reduced instruction set computer,精簡指令集計算機)

RISC 是一種執行較少類型計算機指令的微處理器,起源於80年代的 MIPS 主機。RISC的設計初衷針對CISC CPU複雜的弊端,選擇一些可以在單個CPU週期完成的指令,以降低CPU的複雜度,將複雜性交給編譯器。RISC具有設計更簡單、設計週期更短等優點,能夠以更快的速度執行操作(每秒執行更多百萬條指令,即 MIPS)。精簡指令集這種設計思路對指令數目和尋址方式都做了精簡,使其實現更容易,指令並行執行程度更好,編譯器的效率更高。

實際上在後來的發展中,RISC 與 CISC 在競爭的過程中相互學習,現在的 RISC 指令集也達到數百條,運行週期也不再固定。

X86
X86 是 Intel 開發製造的一種微處理器體系結構的泛稱,X86 架構是可變指令長度的 CISC。X86架構於1978 年推出的 Intel 8086 中央處理器中首度出現,它是從 Intel 8008 處理器中發展而來的,而8008則是發展自 Intel 4004 的。8086 在三年後為 IBM PC 所選用,之後 X86 便成為了個人計算機的標準平臺,成為了歷來最成功的 CISC 架構。

8086是16位處理器,直到1985年32位的80386的開發,這個架構都維持是16位。接著一系列的處理器表示了32位架構的細微改進,推出了數種的擴充,直到2003年AMD對於這個架構發展了64位的擴充,並命名為 amd64。後來 Intel 也推出了與之兼容的處理器,並命名為 Intel 64。兩者一般被統稱為 x86-64 或 x64,開創了 x86 的 64 位時代。

MIPS
MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無內部互鎖流水級的微處理器”(microprocessor without interlocked piped stages),其機制是儘量利用軟件辦法避免流水線中的數據相關問題。它最早是在80年代初期由斯坦福大學 Hennessy 教授領導的研究小組研製。MIPS是出現最早的商業RISC架構芯片之一,新的架構集成了所有原來MIPS指令集,並增加了許多更強大的功能。MIPS自己只進行CPU的設計,之後把設計方案授權給客戶,使得客戶能夠製造出高性能的 CPU。

Power PC
PowerPC 是一種精簡指令集(RISC)架構的中央處理器(CPU),其基本的設計源自IBMPowerPC 601 微處理器POWER(Performance Optimized With Enhanced RISC)架構。二十世紀九十年代,IBM、蘋果和摩托羅拉合作開發 PowerPC 芯片成功,並製造出基於PowerPC的多處理器計算機。

PowerPC 架構的特點是可伸縮性好、方便靈活,有著廣泛的應用範圍,包括從諸如 Power4 那樣的高端服務器 CPU 到嵌入式 CPU 市場(任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC)。PowerPC 處理器有非常強的嵌入式表現,因為它具有優異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。除了象串行和以太網控制器那樣的集成 I/O,該嵌入式處理器與“臺式機”CPU 存在非常顯著的區別。

ARM
ARM架構,過去稱作進階精簡指令集機器 Advanced RISC Machine,更早稱作 Acorn RISC Machine,是32位 RISC 處理器架構,其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。由於節能的特點,ARM處理器非常適用於行動通訊領域,符合其主要設計目標為低耗電的特性。

在今日,ARM家族佔了所有32位嵌入式處理器 75% 的比例,在智能機手機芯片領域更是更是佔用壟斷地位,使它成為佔全世界最多數的32位架構之一。ARM處理器可以在很多消費性電子產品上看到,從可攜式裝置(PDA、移動電話、多媒體播放器、掌上型電子遊戲,和計算機)到電腦外設(硬盤、桌上型路由器)甚至在導彈的彈載計算機等軍用設施中都有他的存在。


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