X86 / ARM / RISC－V / MIPS四大主流指令集架构有何特点

造芯片就跟建房子一样，第一步都是要打好基础，建立好框架，才能往上搬砖砌墙装修。而造芯片的第一步，首先要选择合适的架构。

芯片架构的选择大有讲究，不是随随便便就能决定的。芯片架构的出现与CPU息息相关，CPU也叫中央处理器，是一块超大规模的集成电路，主要包括运算器和高速缓冲存储器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线。CPU的核心是各种类型的芯片，而芯片（指令集）架构则是造芯的第一步，指令集先进与否直接关系到CPU的性能发挥，目前市场上四大主流指令集为X86、MIPS、ARM、RISC－V。

（OFweek电子工程网整理自公开资料）

这四大主流架构到底有什么区别？当今市场又会如何选择合适的指令级架构呢？本文中，笔者将为大家一一揭晓。

1、X86

1978年，Intel在发布了新款16位处理器“8086”，X86的取名也正是由此而来。作为特定微处理器执行的一些计算机语言指令集，X86定义了芯片的基本使用规则。随着CPU技术的不断发展，Intel陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4系列，但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源，所以Intel公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集。同样，X86的身影也能在当今众多强大的多核心处理器身上看到，X86成就了Intel当今的霸主地位使后者成为全球首屈一指的芯片巨头，更成为了一种行业标准。

所以我们可以看到，除了Intel之外，AMD、Cyrix等厂商也相继打造了一系列基于X86架构的CPU，形成了今天人们所能见到庞大的X86系列及兼容CPU阵容。在服务器领域，X86堪称独孤求败，其最大特色就是可以兼容Windows操作系统，全部都采用了Intel的CPU。

2、ARM

ARM架构又被称为进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine），更早的时候也被称为Acorn RISC Machine，是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构。

ARM架构由来已久，80年代中期，Acorn公司的一个团队要为他们的下一代计算机挑选合适的处理器，根据他们提供的技术需求，在当时的市场上无法找到合适的处理器，于是Acorn决定自己设计一个处理器。

仅仅耗时18个月，该团队就达成了从设计到实现的全过程，这是第一台RISC指令集的计算机，叫做Acorn RISC Machine（简称ARM）。如今，ARM家族占比所有32位嵌入式处理器的75％，成为占全世界最多数的32位架构。采用ARM架构的处理器被广泛使用在嵌入式系统设计，低耗电节能，非常适用移动通讯领域。消费性电子产品，例如可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机），电脑外设（硬盘、桌上型路由器），甚至导弹的弹载计算机等军用设施。

3、RISC－V

与其他指令集相比，RISC－V可以自由的应用在任何地方，任何人都可以设计、制造和销售RISC－V芯片。RISC－V指令集架构最重要的意义是，它适用于现代计算设备（如仓库规模云计算机、高端移动电话和微小嵌入式系统），此外RISC－V还具有众多支持的软件，这解决了新指令集通常的弱点。

RISC－V以其完全开源、简化流程、易于移植、模块化设计等特点而闻名。相比于X86、ARM的诞生时间，RISC－V项目在2010年才开始于加州大学伯克利分校。V表示目前已经发展到第五代，说明在此之前已经经历了四代RISC处理器原型芯片，每一代RISC处理器的研发都是在加州大学伯克利分校的DavidA．Patterson教授的带领下完成的。而该架构的运营者RISC－V基金会则是在2015年由硅谷相关公司发起并成立，至今已有包括谷歌、华为、英伟达、高通、麻省理工学院、普林顿大学、中科院计算所在内的150多个企业或单位加入。同时，RISC－V基金会也不会像ARM一样要收取昂贵的授权费，架构的开放性让更多企业能够实现自由指令集的研发以实现差异化发展。

4、MIPS

MIPS架构20多年前由斯坦福大学开发，是一种简洁、优化、具有高度扩展性的RISC架构。它的基本特点是：包含大量的寄存器、指令数和字符、可视的管道延时时隙，这些特性使MIPS架构能够提供最高的每平方毫米性能和当今SoC设计中最低的能耗。

实际上，ARM、MIPS、RISC－V都是基于RISC精简指令集。但在商业化进程中，生态硬件支持上，MIPS走出了另一条道路，比如在面对泛工业领域，应用于各类嵌入式设备中，尤其是中高性能的嵌入式设备和通讯市场，如机顶盒、路由器、车载电子等。但依然不能否认MIPS带来的功劳，从处理器的设计和能耗比来说最经典的RISC处理器，那还是非MIPS莫属。

小结

在历史的长河中，处理器架构一直被两大阵营所垄断，一个是X86架构，另一个是ARM架构，也是目前市场份额最大的两大架构。在移动领域，ARM架构占主流，X86架构也占有一定的市场份额。

两者之间最大的区别在于，X86架构由于其封闭性，相对于ARM架构成本更高，但有着更高的性能、更快的速度和兼容性。由Intel推动的x86架构市场已经相当庞大，几乎从传统PC到数据中心规模的服务器都会使用x86架构处理器，同时相关软件带动的应用服务也有长达40年的发展历史。

ARM以授权为主，强开放性给予高自主开发空间。从生态开放性上，ARM架构最早由爱康电脑公司设计开发，区别于X86架构的封闭生态（Intel），目前ARM并不出售芯片，而是采用授权方式，使得其他半导体厂商能够在授权架构基础上使用和开发新产品，授权方式包括有，架构／指令集层级授权（可以对架构进行对付改造）、IP核授权（内核基础上修改缓存、频率等）、使用层级授权（不可修改，直接使用设计完成的芯片），大大提高了透明度、开放性和适用范围。