計算機CPU之CISC、RISC、x86、IA32、x86-64、IA64、ARM


CPU

  中央處理器(central processing unit,CPU)作為計算機系統的運算和控制核心,是信息處理、程序運行的最終執行單元。

  中央處理器(CPU),是電子計算機的主要設備之一,電腦中的核心配件。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是計算機中負責讀取指令,對指令譯碼並執行指令的核心部件。中央處理器主要包括兩個部分,即控制器、運算器,其中還包括高速緩沖存儲器及實現它們之間聯系的數據、控制的總線。電子計算機三大核心部件就是CPU、內部存儲器、輸入/輸出設備。中央處理器的功效主要為處理指令、執行操作、控制時間、處理數據。
  在計算機體系結構中,CPU 是對計算機的所有硬件資源(如存儲器、輸入輸出單元) 進行控制調配、執行通用運算的核心硬件單元。CPU 是計算機的運算和控制核心。計算機系統中所有軟件層的操作,最終都將通過指令集映射為CPU的操作。
  CPU主要扮演計算機體系中的的運算器和控制器。運算器核心部件為算術邏輯單元(ALU)、中間寄存器(IR)、運算累加器(ACC)、描述字寄存器(DR)、B寄存器等,主要任務就是發布命令,發揮着整個計算機系統操作的協調與指揮作用,其核心部件為程序狀態寄存器PSR,系統狀態寄存器SSR, 程序計數器PC,指令均存器等。
  對於CPU而言,影響其性能的指標主要有主頻、 CPU的位數以及CPU的緩存指令集。所謂CPU的主頻,指的就是時鍾頻率,它直接的決定了CPU的性能,因此要想CPU的性能得到很好地提高,提高CPU的主頻是一個很好地途徑。而CPU的位數指的就是處理器能夠一次性計算的浮點數的位數,通常情況下,CPU的位數越高,CPU 進行運算時候的速度就會變得越快。現在CPU的位數一般為32位或者64位。以前人們使用的計算機都是32位系統, 近年來人們使用的計算機的處理器中64位所占用的比例則顯得更多,這是因為64位的計算機的運行速度變得更快,提高了人們的工作效率。而CPU的緩存指令集是存儲在CPU內部的,主要指的是能夠對CPU的運算進行指導以及優化的硬程序。一般來講,CPU 的緩存可以分為一級緩存、二級緩存和三級緩存,而那些處理能力比較強的處理器則一般具有較大的三級緩存。
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CISC

  復雜指令系統計算機(Complex Instruction Set Computer,CISC),從計算機誕生以來,人們一直沿用CISC指令集方式。早期的桌面軟件是按CISC設計的,並一直沿續到現在。目前,桌面計算機流行的x86體系結構即使用CISC。微處理器(CPU)廠商一直在走CISC的發展道路,包括Intel、AMD,還有其他一些現在已經更名的廠商,如TI(德州儀器)、IBM以及VIA(威盛)等。在CISC微處理器中,程序的各條指令是按順序串行執行的,每條指令中的各個操作也是按順序串行執行的。順序執行的優點是控制簡單,但計算機各部分的利用率不高,執行速度慢。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。

RISC

  精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Computer,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(即RISC機),RISC機中采用的微處理器統稱RISC處理器。這樣一來,它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)。因為計算機執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,執行操作也會更慢。

CISC與RISC對比

  CISC計算機的指令系統比較豐富,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。RISC設計者把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。對不常用的功能,常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。
  CISC機器的存儲器操作指令多,操作直接。RISC對存儲器操作有限制,使控制簡單化。
  CISC匯編語言程序編程相對簡單,科學計算及復雜操作的程序社設計相對容易,效率較高。RISC匯編語言程序一般需要較大的內存空間,實現特殊功能時程序復雜,不易設計。
  CISC機器是在一條指令執行結束后響應中斷。RISC機器在一條指令執行的適當地方可以響應中斷。
  CISCCPU包含有豐富的電路單元,因而功能強、面積大、功耗大。RISCCPU包含有較少的單元電路,因而面積小、功耗低。
  CISC微處理器結構復雜,設計周期長。RISC微處理器結構簡單,布局緊湊,設計周期短,且易於采用最新技術。
  CISC微處理器結構復雜,功能強大,實現特殊功能容易。RISC微處理器結構簡單,指令規整,性能容易把握,易學易用。
  CISC機器則更適合於通用機。RISC由於RISC指令系統的確定與特定的應用領域有關,故RISC 機器更適合於專用機。

CPU架構

x86

  x86是一個intel通用計算機系列的標准編號縮寫,也標識一套通用的計算機指令集合,X與處理器沒有任何關系,它是一個對所有*86系統的簡單的通配符定義,例如:i386, 586,奔騰(pentium)。
 

IA32

  IA-32為Intel Architecture 32bit簡稱,即英特爾32位體系架構,在英特爾公司1985年推出的80386微處理器中首先采用。常被稱為i386、x86-32或是x86,由英特爾公司推出的復雜指令集(CISC)架構,至今英特爾最受歡迎的處理器仍然采用此架構。它是x86架構的32位延伸版本,1985年首次應用在Intel 80386芯片中,用來取代之前的x86 16位架構(x86-16),包括8086、80186與80286芯片。

x86-64

  x86-64”,有時會簡稱為“x64”,是64位微處理器架構及其相應指令集的一種,也是Intel x86架構的延伸產品。“x64”最先由AMD設計,推出時被稱為“AMD64”,其后也為英特爾所采用,現時英特爾稱之為“Intel 64”。在之前曾使用過Clackamas Technology (CT)、IA-32e及EM64T。外界多使用 "x86-64" 或 "x64" 去稱呼此64位架構,從而保持中立,不偏袒任何廠商。

IA64

  IA64處理器I-tanium(安騰)是Intel自推出32位微處理器以來,在高性能計算機領域的又一座里程碑。基於IA64處理器架構的服務器具有64位運算能力、64位尋址空間和64位數據通路,突破了傳統IA32架構的許多限制,在數據的處理能力,系統的穩定性、安全性、可用性、可觀理性等方面獲得了突破性的提高。

ARM

  Advanced RISC Machine,ARM處理器是英國Acorn有限公司設計的低功耗成本的第一款RISC微處理器,ARM處理器本身是32位設計,但也配備16位指令集,一般來講比等價32位代碼節省達35%,卻能保留32位系統的所有優勢。ARM處理器的三大特點是:耗電少功能強、16位/32位雙指令集和合作伙伴眾多。
  搭載ARM芯片架構的設備數量是英特爾的25倍。全世界99%的智能手機和平板電腦都采用ARM架構。約有43億人每天都會觸摸一台搭載ARM芯片的設備,占全球總人口的60%。所有的iPhone和iPad都使用ARM的芯片,多數Kindle電子閱讀器和Android設備也都采用這一架構。與這種廣泛觸角極不相稱的是,ARM的營收可以用少得可憐來形容。雖然全世界幾乎所有的智能手機幾乎都采用了該公司的芯片設計,但平均每賣出一款這樣的手機,該公司只能得到1美分,而英特爾的芯片單位收益卻高達數十至數百美元不等。

CPU發展史

第一階段(1971年-1973年)

  這是4位和8位低檔微處理器時代,代表產品是Intel 4004處理器,將運算器和控制器集成在一個芯片上,標志着CPU的誕生。

第二階段(1974年-1977年)

  這是8位中高檔微處理器時代,代表產品是Intel 8080。此時指令系統已經比較完善了。

第三階段(1978年-1984年)

  這是16位微處理器的時代,代表產品是Intel 8086。相對而言已經比較成熟了,8086處理器的出現奠定了X86指令集架構, 隨后8086系列處理器被廣泛應用於個人計算機終端、高性能服務器以及雲服務器中.

第四階段(1985年-1992年)

  這是32位微處理器時代,代表產品是Intel 80386。已經可以勝任多任務、多用戶的作業。1989 年發布的80486處理器實現了5級標量流水線,標志着CPU的初步成熟,也標志着傳統處理器發展階段的結束。

第五階段(1993年-2005年)

  這是奔騰系列微處理器的時代,995 年11 月,Intel發布了Pentium處理器,該處理器首次采用超標量指令流水結構,引入了指令的亂序執行和分支預測技術,大大提高了處理器的性能, 因此,超標量指令流水線結構一直被后續出現的現代處理器,如AMD的K9、 K10、Intel的Core系列等所采用。

第六階段(2005年至今)

  是酷睿系列微處理器的時 代,這是一款領先節能的新型微架構,設計的出發點是提供卓然出眾的性能和能效。為了滿足操作系統的上層工作需求,現代處理器進一步引入了諸如並行化、多核化、虛擬化以及遠程管理系統等功能,不斷推動着上層信息系統向前發展。


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