CPU架构

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综述

CPU架构是CPU厂商给属于同一系列的CPU产品定的一个规范，主要目的是为了区分不同类型CPU的重要标示。目前市面上的CPU分类主要分有两大阵营，一个是intel、AMD为首的复杂指令集CPU，另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU。两个不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，例如，Intel、AMD的CPU是X86架构的，而IBM公司的CPU是PowerPC架构，ARM公司是ARM架构。

世界上的CPU架构前前后后有很多，我们在这里以实用与知名度的角度出发，只列举出几种常见的CPU架构指令集，为读者们介绍。

x86

x86架构于1978年推出的Intel 8086中央处理器中首度出现，它是从Intel 8008处理器中发展而来的，而8008则是发展自Intel 4004的。8086在三年后为IBM PC所选用，之后x86便成为了个人计算机的标准平台，成为了历来最成功的CPU架构。

其他公司也有制造x86架构的处理器，计有Cyrix(现为VIA所收购)、NEC集团、IBM、IDT以及Transmeta。Intel以外最成功的制造商为AMD，其早先产品Athlon系列处理器的市场份额仅次于Intel Pentium。

8086是16位处理器;直到1985年32位的80386的开发，这个架构都维持是16位。接着一系列的处理器表示了32位架构的细微改进，推出了数种的扩充，直到2003年AMD对于这个架构发展了64位的扩充，并命名为AMD64。后来Intel也推出了与之兼容的处理器，并命名为Intel 64。

值得注意的是Intel早在1990年代就与HP合作提出了一种用在安腾系列处理器中的独立的64位架构，这种架构被称为IA-64。IA-64是一种崭新的系统，和x86架构完全没有相似性;不应该把它与x86-64或x64弄混。

AMD64(x64)

AMD试图以自家的AMD64指令集去清理Intel的x86-32专属的，并把x86更新至近似领先的RISC环境。曾参与设计DEC Alpha64位处理器的Dirk Meyer也有份参与制定AMD64的规格，以及AMD的员工中有不少前Alpha处理器的工程师，因此他们为AMD64立下不少功劳。

此架构的一个显著特征就是地址阔度加长;SSE2、SSE3指令;"禁止执行"位元 (NX-bit): AMD64其中一个特色是拥有"禁止执行"(No-Execute, NX)的位元，可以防止蠕虫病毒以缓冲区满溢的方式来进行攻击(也称:缓冲区溢位攻击，Buffer Overflow)。

Windows on Windows 64 Bit

Wow64(Windows on Windows 64-Bit)是微软公司为旗下Windows 64位版本(包括IA 64和AMD64版本的Windows )开发的x86虚拟环境，旨在让Windows 64位操作系统运行为32位操作系统开发的程序，是Windows 中一个非常重要的组件。

WoW64被计用来处理许多在32-bit Windows 和64-bit Windows之间的不同, 尤其是在Windows自身的结构变化上的不同。

该组件首次出现于Windows 2000 Server Limited Edition中，直到今天的Windows 10/Server2016,它仍然存在。

而在此之前的运行于Alpha 处理器上的Windows NT 3.5x/4.0 系列操作系统也有类似的组件，只不过不叫Wow64,而是叫Fx!32.

IA64

IA64处理器I-tanium（安腾）是Intel自推出32位微处理器以来，在高性能计算机领域的又一座里程碑。基于IA64处理器架构的服务器具有64位运算能力、64位寻址空间和64位数据通路，突破了传统IA32架构的许多限制，在数据的处理能力，系统的稳定性、安全性、可用性、可管理性等方面获得了突破性的提高。

其实ia64的历史早于x86-64，最初由Intel和惠普于1990年联合推出。由于ia64不与32位兼容，所以没有受到重视。而后为了日益扩张的计算需求，Intel重新将ia64拿出来，发布了安腾系列服务器CPU。ia64是一种崭新的系统，和x86架构完全没有相似性，不应该把它与x86-64或x64弄混。基于ia64处理器架构的服务器具有64位运算能力、64位寻址空间和64位数据通路，突破了传统ia32架构的许多限制，在数据的处理能力，系统的稳定性、安全性、可用性、可管理性等方面获得了突破性的提高。它是Intel自推出32位微处理器以来，在高性能计算机领域的又一座里程碑。

IA64与AMD64的区别

x64和ia64处理器都能够运行64位操作系统和应用程序，但是区别在于：x64架构基于x86，是为了让x86架构CPU兼容64位计算而产生的技术。x64架构的设计是采用直接简单的方法将目前的x86指令集扩展。这个方法与当初的由16位扩展至32位的情形很相似。优点在于用户可以自行选择x86平台或x64平台，兼容性高。ia64则是原生的纯64位计算处理器，并且与x86指令不兼容。如果想要执行x86指令需要硬件虚拟化支持，而且效率不高。优点在于ia64架构体系将拥有64位内存寻址能力，能够支持更大的内存寻址空间。并且由于架构的改变，性能比起x64的64位兼容模式更高更强。所以，ia64操作系统也是比较少见的，由于只能在Intel安腾系列处理器及AMD部分服务器处理器运行，所以主流市场并不常见。而且，这些ia64架构处理器也不能够使用x64操作系统。而x64处理器则可以自由选择x86或是x64操作系统。

EM64T与IA64

EM64T(又称为Intel 64)，中文名为扩展64位内存技术。是IA32指令集的扩展，也称为IA32e，和AMD64一样，也是通过64位兼容指令实现64位运算，也是在Intel CPU上运行AMD64的一个关键。

而IA64不同，是一个独立于x86指令之外的64位架构，其实现64位的方式与EM64T和AMD完全不同，是一个完全的64位指令集。

ARMfre

ARMFre是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一款RISC微处理器。全称为Advanced RISC Machine。ARMFre本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。

ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80%。CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。 ARMFre的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和合作伙伴众多。

1、体积小、低功耗、低成本、高性能；

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

3、大量使用寄存器，指令执行速度更快；

4、大多数数据操作都在寄存器中完成；

5、寻址方式灵活简单，执行效率高；

6、指令长度固定。

ARM64

与32位ARM架构相比，64位ARM架构包括以下重大变动：首先是名称的变化——它的官方名称为 “AArch64”，但这个名字读起来很绕口，敲起来也别扭。苹果称它为ARM64，。

较32位ARM架构而言，ARM64的整数寄存器数量增加了一倍，32位ARM架构有16个整数寄存器，其中1个是专用的程序计数器，还有2个用于堆栈指针和链接，其他13个 则作一般用途。而ARM64位架构有32个整数寄存器，包括1个专用的零寄存器，1个链接寄存器和1个帧指针寄存器，还有1个寄存器预留给平台，另外28 个则为通用整数寄存器。ARM64上可用浮点寄存器的数量有所增加。32位ARM处理器有32个32位浮点寄存器，还有16个额外的64位寄存器。这些寄 存器的结构有些特殊，可被视为等价于16个重叠的128位寄存器。ARM64则将其简化为32个128位寄存器，且没有重叠。

寄存器的数量 会对性能会产生巨大影响。与CPU相比，内存要慢得多。与CPU处理一条指令的时间相比，读取和写入内存都需要更长时间。CPU试图通过引入缓存来缓解这 一差距。但与CPU内部的寄存器相比，即使速度最快的缓存也慢得多。更多的寄存器意味着更多数据能存储在CPU内部，这降低了内存访问频率，同时提高了性 能。

除了增加寄存器数量，ARM64也为指令集带来了重大变化。大多数32位ARM处理器可基于运行时条件寄存器的状态执行条件指令，这使 得在编译if等语句时无需分支。不过这种方式引入的麻烦多于便利，因此ARM64取消了条件执行。ARM64的NEON SIMD单元完全符合IEEE754双精度标准，而32位版本的NEON SIMD单元只支持单精度。ARM64还增加了专门的AES、SHA-1、SHA-256加密指令。这些指令也许对普通应用帮助不大，但对特定领域的应用来说价值无穷。

PowerPC

PowerPC（英语：Performance Optimization With Enhanced RISC – Performance Computing，有时简称PPC）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。POWER是1991年，Apple（苹果电脑）、IBM、Motorola（摩托罗拉）组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。PowerPC是整个AIM联盟平台的一部分，并且是到目前为止唯一的一部分。但苹果电脑自2005年起，将旗下电脑产品转用Intel CPU。虽然如此，时至今日还有部分机械工业与教育事业使用Motorola和Freescale（NXP）的PowerPC微处理器产品。 自苹果公司停用PPC以后，个人电脑的PPC就凉了。

MIPS

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思“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公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。

MIPS处理器是八十年代中期RISC CPU设计的一大热点。MIPS是卖的最好的RISC CPU，可以从任何地方，如Sony， Nintendo的游戏机，Cisco的路由器和SGI超级计算机，以及中国电信，中国移动等通信运营商的无线路由器看见MIPS产品。目前随着RISC体系结构遭到x86芯片的竞争，MIPS有可能是起初RISC CPU设计中唯一的一个在本世纪盈利的。和英特尔相比，MIPS的授权费用比较低，也就为除英特尔外的大多数芯片厂商所采用。

MIPS的系统结构及设计理念比较先进，其指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。

中国龙芯2和前代产品采用的都是64位MIPS指令架构，它与大家平常所知道的X86指令架构互不兼容，MIPS指令架构由MIPS公司所创，属于RISC体系。过去，MIPS架构的产品多见于工作站领域，索尼PS2游戏机所用的“Emotion Engine”也采用MIPS指令，这些MIPS处理器的性能都非常强劲，而龙芯2也属于这个阵营，在软件方面与上述产品完全兼容。

Alpha(AXP)

DEC Alpha，是64位的 RISC 微处理器，支持VMS操作系统、Linux和BSD，曾经有部分Windows兼容本架构。

DEC Alpha， 也称为Alpha AXP，是64位的 RISC 微处理器，最初由DEC公司制造，并被用于DEC自己的工作站和服务器中。作为VAX的后续被开发，支援VMS操作系统，如 Digital UNIX。不久之后开放源代码的操作系统也可以在其上运行，如Linux 和 BSD 。

Microsoft 支持这款处理器，直到Windows NT 4.0 SP6 ，但是从Windows 2000 64 Bit RC阶段后 开始放弃了对Alpha的支持。虽然如此，目前仍有极小比重的服务器与超算产业使用该架构及其改进架构，CPU结构性质也趋于封闭化。

本架构在个人电脑上已凉。

PC-98

PC-98推出于1982年，其初代产品9801使用一枚频率5MHz的Intel 8086 CPU，搭配2枚NEC µPD7220显示控制器（一枚用于文字显示，专门处理英文和日文字符；另一枚产生视频图形信号），出厂时装备128KB的内存（可扩展至640KB），该机可在640x400像素的分辨率下显示8色图像。随后于1983年推出8MHz的改进型9801E。第二代的9801（编号9801U）推出于1985年，采用了2硬盘+3.5寸软盘的格局，并改为使用性能较8086更强大的日本国产CPU：NEC V30。1980年代末，新规格的9801改为采用更先进的Intel 80286/386处理器。

在1980年代和1990年代初，PC-9801基本上垄断着日本微机市场，占有60%以上的市场份额，而当时风靡世界的IBM PC及其兼容机却没有打进日本市场。这是因为1980年代的IBM PC及其搭配的MS-DOS操作系统无法显示日文字符。1990年，IBM日本开发了能显示日文的DOS/V系统；自此，PC-98在日本的垄断地位开始动摇。

到1995年，微软发布革命性的Windows 95操作系统。Win95平台的软件不再需要NEC制造的系统便可运行，通用性大大提高；而9801系列计算机因为图形装置（GPU）过于简单，不能安装及使用Win95。至此，PC-98开始衰落了。1997年，在PC-9801度过它的15岁生日后，NEC宣布停产PC-9801系列计算机，推出后继机型PC-9821。2000年，PC-98全系列最后一款机型PC-9821Ra43，搭配Intel 赛扬 433 CPU。到2003年，NEC正式宣布，PC-98系列全面停产，退出市场。自此，日本人独特的自主研发PC格式彻底消亡；此后生产的日本个人计算机，全部采用IBM兼容机方案。