前言

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

目前隨著深度學習、高性能計算、NLP、AIGC、GLM、AGI 的技術迭代，助力大模型快速發(fā)展，對于多元算力結合（CPU+GPU）需求越來越高，再不了解 CPU 就說不過去了，因此本文將會帶您深入了解 CPU 架構，并且解析 CPU 兩大主流架構：ARM 和 X86

簡介

中央處理器（Central Processing Unit，CPU） 是計算機的運算核心和控制核心。CPU、內部存儲器和輸入/輸出設備是電子計算機三大核心部件。其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據

CPU 由運算器、控制器和寄存器及實現它們之間聯系的數據、控制及狀態(tài)的總線構成。差不多所有的CPU的運作原理可分為四個階段：提取（Fetch）、解碼（Decode）、執(zhí)行（Execute）和寫回（Writeback）。 CPU從存儲器或高速緩沖存儲器中取出指令，放入指令寄存器，并對指令譯碼，并執(zhí)行指令

處理器系列

x86

Intel 系列： Celeron（賽揚）、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

因為 Intel 為 x86 架構處理器龍頭老大，因此后文某些地方可能使用 Intel 處理器代指 x86 架構處理器

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

ARM

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

指令集區(qū)別

想要了解 X86 和 ARM，需要先了解復雜指令集（Complex Instruction Set Computer，簡稱 CISC)和精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer，簡稱 RISC）

復雜指令集

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

計算機的指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指令來完成特定的功能，因此，處理特殊任務效率較高。機器的存儲器操作指令多，操作直接。包含有豐富的電路單元，因而功能強、面積大、功耗大

適用領域：個人電腦和服務器

注：x86 架構 主要采用 復雜指令集

精簡指令集

RISC 是執(zhí)行較少類型計算機指令的微處理器，起源于 80 年代的 MIPS 主機 (即 RISC 機)，RISC 機中采用的微處理器統(tǒng)稱 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)行更多百萬條指令，即 MIPS)。因為計算機執(zhí)行每個指令類型都需要額外的晶體管和電路元件，計算機指令集越大就會使微處理器更復雜，執(zhí)行操作也會更慢

因為設計者主要精力放在那些經常使用的指令上，盡量使它們具有簡單高效的特色，不常用功能會通過組合指令來完成，因此在RISC 機器上實現特殊功能時，效率可能較低，但可以利用流水技術和超標量技術加以改進和彌補

對存儲器操作有限制，使控制簡單化。包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低

適用領域：移動設備和嵌入式系統(tǒng)

注：**ARM 架構 ** 主要采用 精簡指令集

總結

就 CPU 功耗來講，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，風扇，水冷等多種設備降溫，因為用在 PC 上，耗電大不會有明顯的問題。RISC走的是低功耗路線，面向的是需要用電池的場景，功耗低是首要原則，性能其次

64位計算

x86

ADM 公司首先開發(fā)出 64 位版本的 x86 指令集，64 位的指令集名為 x86-64（簡稱 x64）

Intel 公司認為將自己 32 位 x86 架構進化出 64 位架構，新架構效率會很低，因此創(chuàng)建新 64 位處理器項目，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 擴展，加入了 64 位尋址和 64 位寄存器。最終出來的架構就是 AMD64，最終 ADM 成為了 64 位版本的 x86 處理器的標準。最后 Intel 將 Itanium 系列處理器徹底廢棄，并最終采用 AMD64

ARM

ARM 公司在看到移動設備對 64 位計算的需求后，于 2011 年發(fā)布了 ARMv8 64 位架構，基于原有的原則和指令集，開發(fā)簡明的 64 位架構，ARMv8 使用了兩種執(zhí)行模式，AArch32 和 AArch64

ARM 設計的巧妙之處，是處理器運行中可以無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計的，無需兼顧 32 位指令，而處理器依然可以向后兼容

異構計算

ARM 的 big.LITTLE 架構處理解決當今行業(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) 以延長電池使用壽命

在 big.LITTLE 架構里，處理器可以是不同類型的。傳統(tǒng)的雙核或者四核處理器中包含同樣的 2 個核或者 4 個核。一個雙核 Atom 處理器中有兩個一模一樣的核，提供一樣的性能，擁有相同的功耗。ARM 通過 big.LITTLE 向移動設備推出了異構計算。這意味著處理器中的核可以有不同的性能和功耗。當設備正常運行時，使用低功耗核，而當你運行復雜的游戲時，使用的是高性能的核

big.Little 系統(tǒng)中兩個處理器之間高效無縫地切換工作負載是通過開發(fā)高級 ARM 系統(tǒng) IP 實現的，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

如果您想要詳細了解 big.LITTLE 的底層原理和機制，可以查看下方 ARM 官網解釋

官方解釋：

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

功耗對比

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 架構就是做高算力，ARM 架構就是做低功耗

但是自從蘋果發(fā)布 M1 芯片（目前的 M2 芯片遠超同等 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，原來靠低功耗起家的 ARM 也能做高算力，可以真正做到更高性能和更低功耗

根據 2022 年 Ampere 公司給出的數據，其 CPU 的性能超越傳統(tǒng) x86 處理器 3 倍，性能功耗比領先近 4 倍，與 x86 服務器 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，別跟我說你懂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的特點和區(qū)別 - 不是公子的小白 - 博客園 (cnblogs.com)
• CPU_X86架構和ARM架構入門篇-騰訊云開發(fā)者社區(qū)-騰訊云 (tencent.com)

本文由博客一文多發(fā)平臺 OpenWrite 發(fā)布！文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-712858.html

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