现代处理器的主要指令集架构

​ ​现代处理器的主要指令集架构（ISA）包括：x86指令集架构、RISC指令集架构。

CISC尽可能将任务一次性做完，高效但费脑（性能高、功耗大）；

RISC则是将任务拆解，分次做完，虽然对个人能力要求不高（性能低、功耗小），代价是效率更低。

其中，x86可以划分为x86-32（英特尔）、x86-64（英特尔）、AMD64（AMD）等三种。RISC可以划分为ARM、MIPS、Alpha、RISC-V。国产CPU在信创市场已形成“四种技术路径（x86、ARM、MIPS、Alpha）、六大主要厂商（兆芯、海光、鲲鹏、飞腾、龙芯、申威）”的发展格局。

1、x86指令集

第一个方面，x86指令集为了保持二进制的兼容性，即：上一代芯片的应用程序仍然能运行在下一代芯片中，使之前后系列的芯片成为一个“系列机”，扩展了许多新的指令，导致x86指令集的规模不断膨胀。

第二个方面，x86指令集在设计时，采取了一种强指令的方式，即：一条指令可以完成非常强大的功能。例如，一条指令可以完成内存不同位置的整个运算过程，或将一块数据直接从内存的一个位置移动到另一个位置，而且这种强大的操作是在1个时钟周期内完成的。

上图列出了英特尔官方统计的指令数量变化。在将近40年的发展历史中，x86由不足200条指令到今天超过1600条指令。

上图列出了x86指令集的MOV指令种类，其可以跳过一系列底层的微操作，实现一个较为复杂的指令功能。

基于以上的设计理念，x86指令集有以下的优点或缺点。注意，缺点也许是优点，优点也许是缺点，这是马克思辩证唯物主义的思想。

由于需要兼容以往的历史版本，x86的硬件设计复杂，这也成为了其历史包袱。但是，塞翁失马、焉知非福，二进制的兼容性获得了IBM的强力支持，让英特尔快速占领了PC和台式机市场。

一条指令的功能很强，这降低了对编译器的要求。另外，不需要考虑那么多的底层指令，早期的汇编程序员面对x86编程时也较为轻松。

多条高效率的指令并行，让单个核的性能强大。早期的处理器，单核架构足以满足应用需求。

必须要大量的冗余晶体管，以实现这种CISC复杂指令集设计。冗余的晶体管带来了大量的面积和功耗开销。

如今，x86指令集在笔记本、台式机、服务器等场景取得了近乎垄断的优势，和IBM有着紧密的联系。可以说，IBM的选择成就了x86指令集的今天，并成就了英特尔这家曾经名不见经传的小公司。

以上两段文字引自technews、半导体行业观察，其简要描述了IBM早期的选择及其巨大的市场成功。

2、ARM指令集

在上世纪80年代，计算机科学家们分析了大量的程序，发现80%的指令是很少用到的，处理器频繁地使用20%的那部分指令，比如Load指令、条件分支指令、Store指令、比较指令。如下图所示，该表格引自《计算机体系结构：量化研究方法（第六版）》。作者是David Patterson、John Hennessy。

关于ARM深入知识，请参考文章“ARM处理器架构和天梯图解析”、“ARM v8处理器概述、架构、及技术介绍”、“飞腾系和鲲鹏系：国产Arm架构CPU服务器正在崛起”、“收藏：从全球超算战略看ARM指令架构在HPC领域的发展”、“亚马逊最新Arm服务器芯片详解”和“计算芯片变革：ARM取代x86成为趋势”等。

因此，早期的RISC指令集、MIPS指令集应运而生，它们砍掉了大量不常用的冗余指令，只保留了最基本、最常用、功能最简单的指令集合。基于这种RISC指令集设计的处理器架构代表是ARM架构，为了便于不同客户进行定制化修改，其每代均会推出以下三个授权版本：

Cortex-A内核，面向高性能应用。

Cortex-R内核，面向实时系统。

Cortex-M内核，面向嵌入式设备场景。

相比于x86指令集（CISC复杂指令集），ARM这种RISC精简指令集的变化主要是：

第一个方面，原来大量的冗余指令，以及由于历史原因兼容的指令，都在统计结果的基础上予以删除。

第二个方面，原来的一条x86强指令，在ARM中被多条基本的简单指令替代。

举一个例子：CISC提供的乘法指令，调用时可完成内存a和内存b中的两个数相乘，结果存入内存a，需要多个CPU周期才可以完成；而RISC不提供“一站式”的乘法指令，需调用四条单CPU周期指令完成两数相乘：内存a加载到寄存器，内存b加载到寄存器，两个寄存器中数相乘，寄存器结果存入内存a。

基于以上的设计理念，或者说，在这样的底层逻辑下，ARM指令集的处理器架构有如下优点或缺点：

砍掉了大量的x86冗余硬件设计，使得DEC译码器的设计更加简单，节省了大量的面积和功耗开销。

一条ARM指令的功能更加单一和基本，这种指令相比于x86的强指令可以称之为”弱指令“，执行这样的弱指令所需的功耗进一步降低。

由于原来一条x86强指令就可以搞定的事情，在ARM这里需要多条弱指令组合来做，大幅提高了编译器的设计难度，同时提高了汇编语言编程的难度。

由于ARM指令集的处理器，相比于x86指令集的处理器，其在硬件结构上更加简单，因此，单个ARM核的面积和功耗更小，但是其性能也更弱小。这就导致了我们堆叠多个弱小的ARM核来打一个强大的x86核。

3、RISC-V指令集

RISC架构随后经历了RISC-I（1981）、RISC-II（1983）、RISC-III（1984）到RISC-IV（1988）四代，却始终未能得到重视。但在这个过程中，RISC的设计理念催生一系列新架构如MIPS、IBM PowerPC以及现在统治移动边缘端的ARM。

关于RISC-V深入知识，请参考文章“RISC-V科普：理解开源ISA架构”、“玄铁RISC-V处理器入门及实践”、“开放指令集与开源芯片发展报告（RISC-V和MPIS）”、“关于RISC-V和开源处理器误区解读”、“深度：RISC-V指令集架构和全球落地”、“深度：RISC-V技术和指令集架构”和“深度报告：RISC-V架构分析（50页PPT)”。

21世纪初期，受当时开源运动在操作系统和应用软件领域取得了巨大成功（如Linux等）的影响，为开源芯片设计带来了崭新的前景。

大家认为，RISC-V有望创造继x86、Arm之后的第三波芯片浪潮。RISC-V的灵活性，对定制化、碎片化场景的支撑力度良好，因此目前主要应用于物联网等终端领域，但在电脑、服务器等领域也已经有了一些尝试。国内RISC-V发展重要事件有：

2018 年9 月 中国RISC-V 产业联盟宣布成立。

2018 年11 月 中国开放指令生态（RISC-V）联盟宣布成立，由倪光南院士担任联盟理事长。

2018 年11月 RISC-V 基金会中国顾问委员会宣布成立。

2019 年7月 阿里巴巴平头哥发布高性能玄铁910 RISC-V 处理器。

2019 年8月 兆易创新发布全球首个基于RISC-V 内核32 位通用MCU。

2020 年3月 基金会总部从美国搬迁到瑞士，宣称是规避政治风险。

2023年8 月，RISC-V中国峰会在京开幕，中国工程院院士倪光南、RISC-V国际基金会CEO 卡莉斯塔·雷德蒙德等出席峰会。

2023年11月，阿里平头哥推出了三款基于RISC-V架构的玄铁系列处理器，即将大规模商用。

4、指令集总结

这两种指令集之间的关系就好比是两种不同的烹饪风格。有些厨房可能更偏向于复杂多样的烹饪方式，而有些厨房则更喜欢简单高效的烹饪方式。同样地，CPU的设计者可以根据不同的需求选择使用CISC或者RISC指令集来设计CPU，以满足不同的应用场景和性能要求。

x86架构：封闭架构，由英特尔和AMD牢牢掌握话语权，AMD给HG授权zen1架构；VIA（台湾威盛）曾获得x86架构Licence授权，后来被Z芯收购；20多年来没有第四家授权，其他芯片公司想用也用不了。

主流架构，生态好，由于被Intel和AMD垄断导致封闭状态，影响了国产x86 CPU厂商的创新进程，目前仍然主要处于“消化、吸收”与“小创新”阶段，但其优势在于能兼容Wintel等原有x86生态；

Arm架构：开放架构，虽然由Arm公司所有，但授权开放，需要花钱购买。目前，H为和F腾拥有ARM v8架构永久性授权；阿里平头哥、中兴等国内厂商购买了ARM v9 架构IP授权。

主流架构，生态较好，由于开放授权的商业授权模式，使得国产ARM CPU厂商能够进行更大程度的创新，使得更自主，但需要付出昂贵的授权费。至于是否发展中国自主的ARM v9指令集（进入自主创新阶段），目前无法知悉，但考量因素肯定与生态有关，可能还没有到跟国际ARM生态“脱钩”阶段，毕竟ARM生态在快速追赶x86。

MIPS架构：开放架构，目前已开放了MIPS指令集的R6版本，以Wave Computing管理，但也难挽颓势，最后宣布终止开发，加入RISC-V基金会。LX前期基于MIPS架构授权研发，后衍生出LoongArch自主架构。

小众架构，生态弱，加上Wave Computing母公司“叛变”加入RISC-V基金会，国产CPU厂商不得不踏上“自主创新”阶段，直接牺牲掉MIPS原本就单薄的生态。自主创新固然难得可贵，但是需要重新构建自主生态，可谓是“任重道远”。

Alpha架构：开放架构，目前已经无实体主张该指令集的权利，但相关专利已被HP、Intel等瓜分。申W前期基于Alpha架构，后衍生出SW64自主架构。

小众架构，生态弱，加上很早就没“妈”了（无实体公司运营），所以国产CPU厂商选择“自主创新”，自然是顺理成章！自主创新固然难得可贵，但是单薄的生态，注定只能在小众市场进行落地。

RISC-V架构：开源架构，最特殊，不属于任何机构或国家，开源免费，想用就用，运营成本全靠基金会的兄弟们帮衬。由阿里平头哥主导，越来越多的创业公司加入RISC-V架构阵营。

审核编辑：汤梓红