ARM指令集和X86指令集的比較

指令的強(qiáng)弱是CPU的重要指標(biāo)，指令集是提高微處理器效率的最有效工具之一。從現(xiàn)階段的主流體系結(jié)構(gòu)講，指令集可分為復(fù)雜指令集(CISC)和精簡(jiǎn)指令集(RISC)兩部分。

相應(yīng)的，微處理隨著微指令的復(fù)雜度也可分為CISC及RISC這兩類。

CISC

是一種為了便于編程和提高記憶體訪問效率的晶片設(shè)計(jì)體系。在20世紀(jì)90年代中期之前，大多數(shù)的微處理器都采用CISC體系──包括Intel的80x86和Motorola的68K系列等。 即通常所說的X86架構(gòu)就是屬于CISC體系的。

RISC

是為了提高處理器運(yùn)行的速度而設(shè)計(jì)的晶片體系。它的關(guān)鍵技術(shù)在于流水線操作（Pipelining）：在一個(gè)時(shí)鐘周期里完成多條指令。而超流水線以及超標(biāo)量技術(shù)已普遍在晶片設(shè)計(jì)中使用。RISC體系多用于非x86陣營(yíng)高性能微處理器CPU。像HOLTEK MCU系列等。

ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。而ARM體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)。所有ARM處理器共享這一體系結(jié)構(gòu)。

因此我們可以從其所屬體系比較入手，來進(jìn)行X86指令集與ARM指令集的比較。

二、CISC和RISC的比較

（一）

CISC

1

．CISC體系的指令特征

使用微代碼。

指令集可以直接在微代碼記憶體（比主記憶體的速度快很多）里執(zhí)行，新設(shè)計(jì)的處理器，只需增加較少的電晶體就可以執(zhí)行同樣的指令集，也可以很快地編寫新的指令集程式。

龐大的指令集。

可以減少編程所需要的代碼行數(shù)，減輕程式師的負(fù)擔(dān)。高階語言對(duì)應(yīng)的指令集：包括雙運(yùn)算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到記憶體以及記憶體到寄存器的指令。

2

．CISC體系的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

能夠有效縮短新指令的微代碼設(shè)計(jì)時(shí)間，允許設(shè)計(jì)師實(shí)現(xiàn)CISC體系機(jī)器的向上相容。新的系統(tǒng)可以使用一個(gè)包含早期系統(tǒng)的指令超集合，也就可以使用較早電腦上使用的相同軟體。另外微程式指令的格式與高階語言相匹配，因而編譯器并不一定要重新編寫。

缺點(diǎn)：

指令集以及晶片的設(shè)計(jì)比上一代產(chǎn)品更復(fù)雜，不同的指令，需要不同的時(shí)鐘周期來完成，執(zhí)行較慢的指令，將影響整臺(tái)機(jī)器的執(zhí)行效率。

（二）RISC

1

．RISC體系的指令特征

精簡(jiǎn)指令集：

包含了簡(jiǎn)單、基本的指令，透過這些簡(jiǎn)單、基本的指令，就可以組合成復(fù)雜指令。

同樣長(zhǎng)度的指令：

每條指令的長(zhǎng)度都是相同的，可以在一個(gè)單獨(dú)操作里完成。

單機(jī)器周期指令：

大多數(shù)的指令都可以在一個(gè)機(jī)器周期里完成，并且允許處理器在同一時(shí)間內(nèi)執(zhí)行一系列的指令。

2

．RISC體系的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

在使用相同的晶片技術(shù)和相同運(yùn)行時(shí)鐘下，RISC系統(tǒng)的運(yùn)行速度將是CISC的2～4倍。由于RISC處理器的指令集是精簡(jiǎn)的，它的記憶體管理單元、浮點(diǎn)單元等都能設(shè)計(jì)在同一塊晶片上。RISC處理器比相對(duì)應(yīng)的CISC處理器設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，所需要的時(shí)間將變得更短，并可以比CISC處理器應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)更快的下一代處理器。

缺點(diǎn)：

多指令的操作使得程式開發(fā)者必須小心地選用合適的編譯器，而且編寫的代碼量會(huì)變得非常大。另外就是RISC體系的處理器需要更快記憶體，這通常都集成于處理器內(nèi)部，就是L1 Cache（一級(jí)緩存）。

綜合上面所述，若要再進(jìn)一步比較CISC與RISC之差異，可以由以下幾點(diǎn)來進(jìn)行分析：

1、指令的形成

CISC

因指令復(fù)雜，故采微指令碼控制單元的設(shè)計(jì)，而RISC的指令90%是由硬體直接完成，只有10%的指令是由軟體以組合的方式完成，因此指令執(zhí)行時(shí)間上RISC較短，但RISC所須ROM空間相對(duì)的比較大，至于RAM使用大小應(yīng)該與程序的應(yīng)用比較有關(guān)系。

2、定址模式

CISC

的需要較多的定址模式，而RISC只有少數(shù)的定址模式，因此CPU在計(jì)算記憶體有效位址時(shí)，CISC占用的匯流排周期較多。

3、指令的執(zhí)行

CISC

指令的格式長(zhǎng)短不一，執(zhí)行時(shí)的周期次數(shù)也不統(tǒng)一，而RISC結(jié)構(gòu)剛好相反，故適合采用管線處理架構(gòu)的設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以達(dá)到平均一周期完成一指令的方向努力。顯然的，在設(shè)計(jì)上RISC較CISC簡(jiǎn)單，同時(shí)因?yàn)镃ISC的執(zhí)行步驟過多，閑置的單元電路等待時(shí)間增長(zhǎng)，不利于平行處理的設(shè)計(jì)，所以就效能而言RISC較CISC還是站了上風(fēng)，但RISC因指令精簡(jiǎn)化后造成應(yīng)用程式碼變大，需要較大的程式記憶體空間，且存在指令種類較多等等的缺點(diǎn)。

（三）X86指令集和ARM指令集：

(1) X86指令集：

X86

指令集是Intel為其第一塊16位CPU(i8086)專門開發(fā)的，后來的電腦中為提高浮點(diǎn)數(shù)據(jù)處理能力而增加的X87芯片系列數(shù)學(xué)協(xié)處理器另外使用X87指令，以后就將X86指令集和X87指令集統(tǒng)稱為X86指令集。雖然隨著CPU技術(shù)的不斷發(fā)展，Intel陸續(xù)研制出更新型的i80386、i80486，但為了保證電腦能繼續(xù)運(yùn)行以往開發(fā)的各類應(yīng)用程序以保護(hù)和繼承豐富的軟件資源，所以Intel公司所生產(chǎn)的所有CPU仍然繼續(xù)使用X86指令集，所以它的CPU仍屬于X86系列。由于Intel X86系列及其兼容CPU都使用X86指令集，所以就形成了今天龐大的X86系列及兼容CPU陣容。

除了具備上述CISC的諸多特性外，X86指令集有以下幾個(gè)突出的缺點(diǎn)：

l通用寄存器組————對(duì)CPU內(nèi)核結(jié)構(gòu)的影響

X86指令集只有8個(gè)通用寄存器。所以，CISC的CPU執(zhí)行是大多數(shù)時(shí)間是在訪問存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，而不是寄存器中的。這就拖慢了整個(gè)系統(tǒng)的速度。

RISC系統(tǒng)往往具有非常多的通用寄存器，并采用了重疊寄存器窗口和寄存器堆等技術(shù)使寄存器資源得到充分的利用。

l解碼————對(duì)CPU的外核的影響

解碼器（Decode Unit），這是x86CPU才有的東西。其作用是把長(zhǎng)度不定的x86指令轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度固定的類似于RISC的指令，并交給RISC內(nèi)核。解碼分為硬件解碼和微解碼，對(duì)于簡(jiǎn)單的x86指令只要硬件解碼即可，速度較快，而遇到復(fù)雜的x86指令則需要進(jìn)行微解碼，并把它分成若干條簡(jiǎn)單指令，速度較慢且很復(fù)雜。Athlon也好，PIII也好，老式的CISC的X86指令集嚴(yán)重制約了他們的性能表現(xiàn)。

l尋址范圍小——約束了用戶需要

即使AMD

研發(fā)出X86-64架構(gòu)時(shí)，雖然也解決了傳統(tǒng)X86固有的一些缺點(diǎn)，比如尋址范圍的擴(kuò)大，但這種改善并不能直接帶來性能上的提升。

(2)ARM指令集：

相比而言，以RISC為架構(gòu)體系的ARM指令集的指令格式統(tǒng)一，種類比較少，尋址方式也比復(fù)雜指令集少。當(dāng)然處理速度就提高很多。ARM處理器都是所謂的精簡(jiǎn)指令集處理機(jī)（RISC）。

其所有指令都是利用一些簡(jiǎn)單的指令組成的，簡(jiǎn)單的指令意味著相應(yīng)硬件線路可以盡量做到最佳化，而提高執(zhí)行速率，相對(duì)的使得一個(gè)指令所需的時(shí)間減到最短。

而因?yàn)橹噶罴木?jiǎn)，所以許多工作都必須組合簡(jiǎn)單的指令，而針對(duì)較復(fù)雜組合的工作便需要由『編譯程式』(compiler)來執(zhí)行，而CISC體系的X86指令集因?yàn)橛搀w所提供的指令集較多，所以許多工作都能夠以一個(gè)或是數(shù)個(gè)指令來代替，compiler的工作因而減少許多。

除了具備上述RISC的諸多特性之外，可以總結(jié)ARM指令集架構(gòu)的其它一些特點(diǎn)如下：

lARM

的特點(diǎn)

1．體積小，低功耗，低成本，高性能

2．支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件；

3．大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；

4．大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；

5．尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高；

6．指令長(zhǎng)度固定；

7．流水線處理方式

8．Load_store結(jié)構(gòu)

lARM的一些非RISC

思想的指令架構(gòu)：

1．允許一些特定指令的執(zhí)行周期數(shù)字可變，以降低功耗，減小面積和代碼尺寸。

2．增加了桶形移位器來擴(kuò)展某些指令的功能。

3．使用了16位的Thumb指令集來提高代碼密度。

4．使用條件執(zhí)行指令來提高代碼密度和性能。

5．使用增強(qiáng)指令來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)處理的功能。

（四）小結(jié)：

因此，大量的復(fù)雜指令、可變的指令長(zhǎng)度、多種的尋址方式這些CISC的特點(diǎn)，也是CISC的缺點(diǎn)，因?yàn)檫@些都大大增加了解碼的難度，而在現(xiàn)在的高速硬件發(fā)展下，復(fù)雜指令所帶來的速度提升早已不及在解碼上浪費(fèi)點(diǎn)的時(shí)間。除了個(gè)人PC市場(chǎng)還在用X86指令集外，服務(wù)器以及更大的系統(tǒng)都早已不用CISC了。x86仍然存在的理由就是為了兼容大量的x86平臺(tái)上的軟件，同時(shí)，它的體系結(jié)構(gòu)組成的實(shí)現(xiàn)不太困難。

而RISC體系的ARM指令最大特點(diǎn)是指令長(zhǎng)度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少，大多數(shù)是簡(jiǎn)單指令且都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，易于設(shè)計(jì)超標(biāo)量與流水線，寄存器數(shù)量多，大量操作在寄存器之間進(jìn)行。優(yōu)點(diǎn)是不言而喻的，因此，ARM處理器才成為是當(dāng)前最流行的處理器系列，是幾種主流的嵌入式處理體系結(jié)構(gòu)之一。

RISC

目前正如日中天，Intel似乎也將最終拋棄x86而轉(zhuǎn)向RISC結(jié)構(gòu)。

而實(shí)際上，隨著RISC處理器在嵌入式領(lǐng)域中大放異彩，傳統(tǒng)的X86系列CISC處理器在Intel公司的積極改進(jìn)下也克服了功耗過高的問題，成為一些高性能嵌入式設(shè)備的最佳選擇，發(fā)展到今天，CISC與RISC之間的界限已經(jīng)不再是那么涇渭分明，RISC自身的設(shè)計(jì)正在變得越來越復(fù)雜（當(dāng)然并不是完全依著CISC的思路變復(fù)雜），因?yàn)樗袑?shí)際使用的CPU都需要不斷提高性能，所以在體系結(jié)構(gòu)中加入新特點(diǎn)就在所難免。另一方面，原來被認(rèn)為是CISC體系結(jié)構(gòu)的處理器也吸收了許多RISC的優(yōu)點(diǎn)，比如Pentium處理器在內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)中也是采用的RISC的架構(gòu)，復(fù)雜的指令在內(nèi)部由微碼分解為多條精簡(jiǎn)指令來運(yùn)行，但是對(duì)于處理器外部來說，為了保持兼容性還是以CISC風(fēng)格的指令集展示出來。