Arquitetura de CPU convencional

arquitetura da CPU

A arquitetura da CPU é uma especificação definida pelos fabricantes de CPU para produtos de CPU pertencentes à mesma série. É um indicador importante para distinguir diferentes tipos de CPU. Atualmente, a classificação de CPU no mercado está dividida principalmente em dois campos: um é o complexo conjunto de instruções CPU liderado pela Intel e AMD, e o outro é o conjunto reduzido de instruções CPU liderado pela IBM e ARM. Duas marcas diferentes de CPUs têm arquiteturas de produtos diferentes, por exemplo, as CPUs da Intel e da AMD são baseadas na arquitetura X86, enquanto as CPUs da IBM são baseadas na arquitetura PowerPC e as CPUs da ARM são baseadas na arquitetura ARM.

1. Arquitetura AMD (''x86-64'' ou ''x64'')

X86 é um conjunto de instruções de linguagem de computador executado por um microprocessador. Refere-se à abreviatura de número padrão de uma série de computadores de uso geral da Intel e também identifica um conjunto de instruções de computador de uso geral. Em 8 de junho de 1978, a Intel lançou o novo microprocessador 8086 de 16 bits, que também inaugurou uma nova era: nasceu a arquitetura X86.

O conjunto de instruções X86 foi especialmente desenvolvido pela Intel Corporation dos Estados Unidos para sua primeira CPU de 16 bits (i8086).O CPU-i8088 (versão simplificada do i8086) no primeiro PC do mundo lançado pela IBM Corporation dos Estados Unidos em 1981 também usou instruções X86.

Adota arquitetura CISC (computador com conjunto de instruções complexas, computador com conjunto de instruções complexas). Diferente de usar RISC, no processador CISC, cada instrução do programa é executada serialmente em ordem, e as operações em cada instrução também são executadas serialmente em ordem. A vantagem da execução sequencial é o controle simples, mas a taxa de utilização de diversas partes do computador não é alta e a velocidade de execução é lenta.

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de CPU, a Intel desenvolveu sucessivamente os novos i80386, i80486 e a atual série Pentium 4. No entanto, para garantir que o computador possa continuar a executar vários aplicativos desenvolvidos no passado para proteger e herdar ricos recursos de software, a Intel Todas as CPUs produzidas pela empresa continuam usando o conjunto de instruções X86.

2. Arquitetura ARM

ARM é a abreviatura de Advanced RISC Machine. É uma arquitetura de conjunto de instruções reduzido (RISC) de 32 bits, mas também é equipada com um conjunto de instruções de 16 bits. De modo geral, economiza até 35% em comparação com o equivalente de 32 bits. código de bits, mas pode reter todas as vantagens dos sistemas de 32 bits.

É amplamente utilizado em muitos projetos de sistemas embarcados. Devido às suas características de poupança de energia, os processadores ARM são muito adequados para comunicações móveis, em linha com o seu principal objetivo de design de baixo consumo de energia. Hoje, a família ARM representa 75% de todos os processadores embarcados de 32 bits, tornando-a uma das arquiteturas de 32 bits mais dominantes do mundo. Os processadores ARM podem ser vistos em muitos produtos eletrônicos de consumo, desde dispositivos portáteis até periféricos de computador e até mesmo em instalações militares, como computadores de bordo de mísseis.

Tamanho pequeno, baixo consumo de energia, baixo custo e alto desempenho - as razões mais importantes pelas quais o ARM é amplamente utilizado em sistemas embarcados. Ele suporta conjuntos de instruções duplas Thumb (16 bits)/ARM (32 bits) e é bem compatível com 8 dispositivo de bit/16 bits; uso extensivo de registradores, execução mais rápida de instruções; a maioria das operações de dados são concluídas em registradores; modo de endereçamento simples e flexível, alta eficiência de execução; comprimento de instrução fixo. Estrutura Load_store: No RISC, todos os cálculos devem ser concluídos nos registros. A comunicação entre registradores e memória é completada por instruções separadas. No CSIC, a CPU pode operar diretamente na memória. Método de processamento de pipeline

Obs: RISC e CISC

RISC: Computador com conjunto de instruções reduzido. O RISC possui uma estrutura simples. Ele seleciona instruções simples com alta frequência de uso. O comprimento das instruções é fixo. A maioria delas são instruções de ciclo único. Possui grandes vantagens em termos de consumo de energia, volume, preço, etc., e é usado principalmente para incorporar campo de fórmula
CISC: Processadores de conjuntos de instruções complexos concentram-se na funcionalidade das instruções de execução de hardware. A estrutura de hardware das instruções e processadores CISC é mais complexa do que as instruções CISC. O comprimento e o ciclo da instrução não são fixos, o que traz vantagens nas capacidades de processamento.

3. Arquitetura RISC-V

A arquitetura RISC-V é uma arquitetura de conjunto de instruções aberto (ISA) baseada no princípio da computação de conjunto de instruções reduzido (RISC).RISC-V é uma instrução totalmente nova baseada no desenvolvimento contínuo e na maturidade do conjunto de instruções. O conjunto de instruções RISC-V é totalmente de código aberto, com design simples, fácil de transplantar para sistemas Unix, design modular, cadeia de ferramentas completa e um grande número de implementações de código aberto e casos de fita, e foi reconhecido por muitos chips empresas.

A arquitetura RISC-V começou relativamente tarde, mas está se desenvolvendo rapidamente. Ele pode selecionar uma arquitetura de conjunto de instruções adequada para o cenário específico. Com base na arquitetura do conjunto de instruções RISC-V, podem ser projetadas CPUs de servidores, CPUs de eletrodomésticos, CPUs de controle industrial e CPUs usadas em sensores menores que um dedo.

4. Arquitetura MIPS

Arquitetura MIPS (arquitetura MIPS, abreviatura de Microprocessador sem arquitetura de estágios canalizados intertravados, também um termo relacionado de Milhões de instruções por segundo), é uma arquitetura de processador que usa conjunto de instruções reduzido (RISC), que apareceu em 1981 e foi desenvolvida pela MIPS Technology Desenvolvido e licenciado pela empresa, é amplamente utilizado em diversos produtos eletrônicos, equipamentos de rede, dispositivos de entretenimento pessoal e dispositivos comerciais. A arquitetura MIPS mais antiga era de 32 bits e a versão mais recente passou a ser de 64 bits.

x86 é o mainstream de PCs e servidores, ARM é o mainstream dos dispositivos móveis e RISC-V pode ser o mainstream do futuro.

5. Comparação das arquiteturas ARM e X86

Comparação de desempenho

De qualquer forma, os computadores estruturados em X86 são muito mais rápidos e poderosos do que os sistemas estruturados em ARM em termos de desempenho. A frequência principal da CPU X86 é superior a 1 GHz. Dual-core e quad-core são muito populares. Agora eles geralmente usam processos de 22 nm para produção. Quanto ao ARM, sua CPU geralmente tem várias centenas de megabytes. Só recentemente tem uma CPU de cerca de Apareceu 1G. O processo é normalmente usado Com a tecnologia de processo de 32nm ou 45nm, pode-se dizer que o ARM não é oponente do sistema estrutural X86 em termos de desempenho e tecnologia de produção.

No entanto, a vantagem do ARM não reside no seu desempenho poderoso, mas na sua eficiência. O ARM usa o conjunto de instruções do pipeline RISC, que está fundamentalmente em desvantagem na conclusão de trabalhos abrangentes. No entanto, suas vantagens podem ser plenamente exercidas em algumas aplicações onde as tarefas são relativamente fixas. .

Comparação de capacidades de expansão

Computadores com um computador podem facilmente realizar expansão de desempenho, como adicionar memória, disco rígido, etc.

Computadores com estrutura ARM conectam a CPU a dispositivos de armazenamento de dados por meio de uma interface de dados dedicada, por isso é difícil expandir o armazenamento, memória e outros recursos de desempenho do ARM (geralmente a capacidade de memória e armazenamento de dados foi determinada durante o design do produto), então ARM é usado Os sistemas estruturais geralmente não consideram a expansão e basicamente aderem ao princípio de "apenas o suficiente".

Compatibilidade do sistema operacional

O sistema x86 é dominado pela Wintel Alliance construída pela Microsoft e Intel. Ele monopolizou o sistema operacional de computadores pessoais por quase 30 anos, formando uma enorme base de usuários e solidificando profundamente os hábitos de uso de muitos usuários. Ao mesmo tempo, o x86 O sistema já alcançou grande sucesso em termos de desenvolvimento de hardware e software.Formando um padrão unificado, quase todas as plataformas de hardware x86 podem usar diretamente o sistema Windows da Microsoft e quase todos os softwares de ferramentas populares, de modo que o sistema x86 tem vantagens incomparáveis em termos de compatibilidade.

Quase todos os sistemas ARM usam sistemas operacionais Linux, e quase todos os sistemas de hardware têm que construir seus próprios sistemas separadamente, que são incompatíveis com outros sistemas. Isso também resulta na incapacidade de seu software aplicativo ser facilmente transplantado, o que sempre restringiu seriamente o Sistema ARM, desenvolvimento e aplicação.

Depois que o GOOGLE desenvolveu o sistema Android aberto, ele unificou o sistema operacional de computadores estruturados em ARM, permitindo que sistemas de computador recém-lançados baseados na estrutura ARM tivessem um sistema operacional unificado, aberto e livre, que forneceu uma base poderosa para o desenvolvimento de ARM • apoio e motivação.

Conveniência de desenvolvimento de software e diversidade de ferramentas disponíveis

Em termos de correspondência de software, correspondência e compatibilidade de ferramentas de desenvolvimento de software, o X86 atingiu um estado muito maduro e até perfeito. Portanto, ao usar um sistema de computador X86, não há apenas um grande número de softwares de terceiros para escolher, mas também um grande número de ferramentas de programação de software que podem ajudá-lo a concluir o trabalho que deseja.

Os sistemas de computador estruturados em ARM são restritos por restrições de desempenho de hardware, simplificação do sistema operacional e problemas de compatibilidade do sistema. Como resultado, os sistemas de computador estruturados em ARM não podem ter tantas ferramentas de programação e software de terceiros para escolher quanto os sistemas de computador X86. A maioria das linguagens de programação ARM usam C e JAVA ou C++.

Portanto, o desenvolvimento de software baseado na plataforma de sistema de computador com estrutura x86 é mais fácil, mais simples e, na verdade, mais barato do que o sistema de estrutura de braço.Ao mesmo tempo, é mais fácil encontrar software de terceiros (economizando tempo e custo de auto- desenvolvimento) e o transplante de software é mais fácil.

Comparação de consumo de energia

Para se adaptar às necessidades das diversas aplicações, a ideia de desenvolvimento dos computadores X86 é: desempenho + velocidade. Nos últimos 20 anos, a velocidade dos computadores x86 evoluiu de alguns M no 8088 original para alguns G agora, e ainda tem vários núcleos. Sua velocidade e desempenho aumentaram milhares ou dezenas de milhares de vezes. Progresso tecnológico tornou os computadores x86 indispensáveis na vida pública. No entanto, a direção de desenvolvimento e o modelo dos computadores x86 mantiveram seu consumo de energia alto. Um computador só pode consumir algumas centenas de watts. Mesmo laptops ou netbooks que afirmam ter baixo consumo de energia e economia de energia têm mais de dez ou vinte watts de potência. consumo de energia, incomparável com computadores com estrutura ARM.

As ideias de design e desenvolvimento do ARM são: desde que atenda a uma aplicação específica, é o mais forte em um determinado campo especializado (mesmo que seja inútil em outros aspectos).Desta forma, Arm não é a tecnologia mais forte, nem é muito poderoso. O processo de fabricação de processos avançados produz sistemas de computador que não são muito poderosos, mas são os melhores em uma determinada aplicação profissional, especialmente em muitas aplicações de terminais, especialmente em aplicações de terminais móveis, que têm uma posição dominante absoluta. A razão é : consumo de energia.

O alto consumo de energia levou a uma série de problemas que não podem ser resolvidos pelo sistema X86: bateria fraca, incapacidade de reduzir o sistema, baixa estabilidade e altos requisitos para o ambiente de uso. A partir daqui podemos ver que os sistemas x86 e os sistemas ARM são usados em dois campos completamente diferentes. Não há intercambialidade entre eles. Em termos de servidores, estações de trabalho e outras aplicações de computação de alto desempenho, o consumo de energia pode ser ignorado. Quando se trata de ambiente operacional e outras condições, o sistema X86 tem uma vantagem absoluta. No entanto, o ARM tem uma grande vantagem quando é restringido pelo consumo de energia, ambiente e outras condições e as tarefas de trabalho são fixas.No campo dos terminais móveis portáteis, o consumo de energia do X86 torna seu herói inútil.

A partir da análise comparativa acima, temos uma sensação muito clara de que os computadores com estruturas ARM e X86 não podem ser comparados. ARM simplesmente não é oponente dos computadores X86. Se você considerar apenas os aspectos mencionados acima, o ARM realmente não pode competir com os computadores X86 e nem mesmo está qualificado para comparação. No entanto, nos últimos um ou dois anos, os produtos da ARM desenvolveram-se rapidamente em aplicações de terminais, especialmente aplicações de terminais portáteis (como smartphones, tablets, etc.), e as suas vendas excederam em muito as vendas de computadores com estrutura x86. Pode-se observar que o ARM possui uma vantagem incomparável em relação aos computadores com arquitetura X86.

O sistema X86 e o sistema ARM deverão ser aplicações em dois campos completamente diferentes: aplicações com funções únicas e restrições ambientais, como POS, ATM, máquinas de publicidade multimédia (já existem produtos ARM+DSP), terminais de computador montados em veículos e outros aplicações , a solução ARM deve ser considerada primeiro. Comparada com o X86, a solução ARM tem grandes vantagens em consumo de energia e custo.

O ARM é muito poderoso agora, mas ainda está muito longe do X86. Afinal, seus pontos de partida de design são diferentes. O X86 não pode atingir o consumo de energia do ARM e o ARM não pode atingir o desempenho do X86. No entanto, isso não significa que o ARM possa ocupar apenas o segmento inferior no futuro. Afinal, qualquer arquitetura tem suas vantagens. Uma vez que um aplicativo é otimizado para ela, ele pode explorar seus pontos fortes e evitar seus pontos fracos. A prosperidade do X86 ocorre precisamente porque todos os recursos do mundo são otimizados para ele. Enquanto pudermos encontrar aplicações e campos adequados para ARM, o ARM poderá não ser capaz de entrar em um nível superior no futuro.

referências:

Arquitetura do Processador_Enciclopédia Baidu

Quais são as quatro principais arquiteturas de CPU - FAQ - Site chinês PHP