CPU体系结构

指令系统分类

两类指令系统体系结构：

• CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）
  • 可变的指令长度，支持更复杂的指令长度
• RISC （Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）
  • 固定的指令长度（32-bit，即1 word）
  • 简单的寻址模式
  • 指令数量少，指令功能简单（一条指令只完成一个操作）
  • 只有Load和Store指令可以访问存储器

指令系统发展

• 微指令（Micro-Instructions/Micro-Ops） x86核心问题是要始终向前兼容 x86 的指令集，那么我们能不能不修改指令集，但是让 CISC 风格的指令集，用 RISC 的形式在 CPU 里面运行呢？ 从 Pentium Pro 时代开始，Intel 就开始在处理器里引入了微指令（Micro-Instructions/Micro-Ops）架构。而微指令架构的引入，也让 CISC 和 RISC 的分界变得模糊了。

在微指令架构的 CPU 里面，编译器编译出来的机器码和汇编代码并没有发生什么变化。但在指令译码的阶段，指令译码器“翻译”出来的，不再是某一条 CPU 指令。译码器会把一条机器码，“翻译”成好几条“微指令”。这里的一条条微指令，就不再是 CISC 风格的了，而是变成了固定长度的 RISC 风格的了。

这些 RISC 风格的微指令，会被放到一个微指令缓冲区里面，然后再从缓冲区里面，分发给到后面的超标量，并且是乱序执行的流水线架构里面。不过这个流水线架构里面接受的，就不是复杂的指令，而是精简的指令了。在这个架构里，我们的指令译码器相当于变成了设计模式里的一个“适配器”（Adaptor）。这个适配器，填平了 CISC 和 RISC 之间的指令差异。

为减少译码时间，Intel 就在 CPU 里面加了一层 L0 Cache。这个 Cache 保存的就是指令译码器把 CISC 的指令“翻译”成 RISC 的微指令的结果。于是，在大部分情况下，CPU 都可以从 Cache 里面拿到译码结果，而不需要让译码器去进行实际的译码操作。这样不仅优化了性能，因为译码器的晶体管开关动作变少了，还减少了功耗。

CPU体系结构

四大CPU体系结构:

• x86/Atom x86或80x86是英代尔Intel首先开发制造的一种微处理器体系结构的泛称。 X86则是基于复杂指令集（CISC）的架构，Atom是x86或者是x86指令集的精简版。 Intel Atom（中文：凌动，开发代号：Silverthorne）是Intel的一个超低电压处理器系列。
• ARM ARM架构，过去称作进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine，更早称作：Acorn RISC Machine），是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。
• MIPS MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS 采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片。
• PowerPC PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的IBM PowerPC 601 微处理器POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect 电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”）架构。

CPU开源

• MIPS https://www.mips.com/ 2019 年 MIPS 宣布开源。
• RISC-V https://riscv.org/ RISC 概念的发明人，图灵奖的得主大卫·帕特森教授从伯克利退休之后，成了 RISC-V 国际开源实验室的负责人，开始推动 RISC-V 这个“CPU 届的 Linux”的开发。

市场前景

• 台式机和服务器，采用x86处理器较多, 目前基本由 Intel 和 AMD 占据，世界上最大的两家x86和x86-64的CPU厂家。
• 移动端，安卓支持三类处理器(CPU)：ARM、x86和MIPS。 ARM无疑被使用得最为广泛。 x86因为普及于台式机和服务器而被人们所熟知，然而对移动行业影响力相对较小。 MIPS在32位和64位嵌入式领域中历史悠久，获得了不少的成功，可目前Android的采用率在三者中最低。

by 斯武丶风晴 https://my.oschina.net/langxSpirit