cpu介绍

CPU架构：CPU架构详细介绍

1概述

CPU架构是CPU商给CPU产品定的⼀个规范，主要⽬的是为了区分不同类型的CPU。⽬前市场上的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。不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，Intel、

AMD的CPU是X86架构，IBM公司的CPU是PowerPC架构，ARM公司的CPU是ARM架构，国内的飞腾CPU也是ARM架构。此外还有

MPIS架构、SPARC架构、Alpha架构。

2X86架构

X86架构（TheX86architecture）是微处理器执⾏的计算机语⾔指令集。X86指令集是美国Intel公司为其第⼀块16位CPU(i8086)专门开发

的，美国IBM公司1981年推出的世界第⼀台PC机中的CPU--i8088(i8086简化版)使⽤的也是X86指令。同时电脑中为提⾼浮点数据处理能⼒

⽽增加的X87芯⽚系列数字协处理器则另外使⽤X87指令，，包括后来Intel80186、80286、80386以及80486，由于以“86”作为结尾，以

后就将X86指令集和X87指令集统称为X86指令集。虽然随着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

Pentium4(以下简为P4)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，所以它的CPU仍属于X86系列。

x86架构CPU主要应⽤领域：个⼈计算机、服务器等。在PC端市场Wintel组合（windows系统+intel处理器）占据了⼤部分江⼭，另外⼀

部分有ADM占领。⽬前国内有兆芯，从AMD和VIA获取授权，研发⾃⼰的X86CPU，有其它国产CPU+国产操作系统（linux系）可以⽤于

教育和事业单位以及军⼯⾏针对的是特殊⽤户，国产CPU和操作系统想进⼊民⽤市场，由于性能、价格以及⽣态系统等，仍需要继续优化

打磨以及⼀个合适契机。

x86指令集发展

IA：Intel（英特尔）处理器的服务器称之为IA（IntelArchitecture）架构服务器

IA-32：英特尔32位体系架构，X86从16位到32位是在原有的架构基础上进⾏修改（Intel称之为IA-32）

x86-32：现如今Intel把x86-32称为IA-32

x86-64分为intel和AMD

AMD64：x86架构的64位拓展，向后兼容于16位及32位的x86架构。x64于1999年由AMD设计，AMD⾸次公开64位集以扩展给x86，称

为“AMD64”，AMD64和Intel64基本上⼀致

Intel64：EM64T（ExtendedMemory64Technology）扩展64bit内存技术，本质上和AMD64⼀样都是IA-32的增强版本。

IA-64：64位的英特尔架构，英特尔安腾架构（IntelItaniumarchitecture），使⽤在Itanium处理器家族上的64位指令集架构，由英特尔公司

与惠普公司共同开发。IA是IntelArchitecture（英特尔架构）的缩写，64指64位系统。使⽤这种架构的CPU，包括Itanium和Itanium2。此

架构与x86及x86-64并不相容，操作系统与软件需使⽤IA-64专⽤版本。

Intel推出X86架构已满40年了，同486相⽐，Pentium向前迈进了⼀⼤步，⽽PⅡ的前进步伐则没有这么⼤了，X86CPU的发展似乎已到了

尽头。英特尔⾮常清楚，是X86指令集限制了CPU性能的进⼀步提⾼，因此，他们正同惠普共同努⼒开发下⼀代指令集架构（Instruction

SetArchitecture，ISA）：EPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing，显性并⾏指令计算)。对英特尔⽽⾔，IA－64（英特尔的64位

架构）是下⼀个10到15年的架构。新的ISA将使英特尔摆脱X86架构的限制，从⽽设计出超越所有现有RISCCPU和X86CPU的新型处理

器。

3ARM架构

ARM架构，也称作进阶精简指令集机器（AdvancedRISCMachine，更早称作：AcornRISCMachine），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。由于节能的特点，ARM处理器⾮常适⽤于⾏动通讯领域，符合其主要设计⽬

标为低耗电的特性。（其它请参考ARM介绍）

⽬前，ARM家族占了所有32位嵌⼊式处理器75%的⽐例，使它成为占全世界最多数的32位架构之⼀。ARM处理器可以在很多消费性电⼦产

品上看到，从可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电⼦游戏，和计算机）到电脑外设（硬盘、桌上型路由器）甚⾄在导

弹的弹载计算机等军⽤设施中都有他的存在。在此还有⼀些基于ARM设计的派⽣产品，重要产品还包括Marvell的XScale架构和德州仪器的

OMAP系列。

ARM授权⽅式：ARM公司本⾝并不靠⾃有的设计来制造或出售CPU，⽽是将处理器架构授权给有兴趣的⼚家。ARM提供了多样的授权

条款，包括售价与散播性等项⽬。对于授权⽅来说，ARM提供了ARM内核的整合硬件叙述，包含完整的软件开发⼯具（编译器、

debugger、SDK），以及针对内含ARMCPU硅芯⽚的销售权。对于⽆晶圆⼚的授权⽅来说，其希望能将ARM内核整合到他们⾃⾏研发

的芯⽚设计中，通常就仅针对取得⼀份⽣产就绪的智财核⼼技术（IPCore）认证。对这些客户来说，ARM会释出所选的ARM核⼼的闸极

电路图，连同抽象模拟模型和测试程式，以协助设计整合和验证。需求更多的客户，包括整合元件制造商（IDM）和晶圆⼚家，就选择可

合成的RTL（暂存器转移层级，如Verilog）形式来取得处理器的智财权（IP）。借着可整合的RTL，客户就有能⼒能进⾏架构上的最佳化

与加强。这个⽅式能让设计者完成额外的设计⽬标（如⾼震荡频率、低能量耗损、指令集延伸等）⽽不会受限于⽆法更动的电路图。虽然

ARM并不授予授权⽅再次出售ARM架构本⾝，但授权⽅可以任意地出售制品（如芯⽚元件、评估板、完整系统等）。商⽤晶圆⼚是特殊

例⼦，因为他们不仅授予能出售包含ARM内核的硅晶成品，对其它客户来讲，他们通常也保留重制ARM内核的权利。

国外⽣产⼚商：TI（德州仪器）、Samsung（三星）、Freescale（飞思卡尔）、Marvell（马维尔）、Nvidia（英伟达）、Qualcomm(⾼

通）、STMicroelectronics(意法半导体）。

国内⽣产⼚商：华为（海思芯⽚）、飞腾（FT-1500、FT2000-4等CPU芯⽚）、兆易创新（GD32系列MCU，参考STM32系列）、瑞芯微

（RK系列芯⽚）、联发科（台湾，天玑系列）。

ARM架构的CPU可以有多核，例如⼏年前联发科推出10核处理器HelioX20（被戏称⼀核有难，⼋核围观，国产FT处理器已经推出了16核

处理器。但是由于ARM⾃⾝低功耗等因素的限制，核⼼数多并不⼀定能⼤⼤提升性能。

⽬前ARM主要市场是⼿机端CPU和MCU，⼿机CPU市场，由⾼通骁龙系列、华为麒麟系列、以及三星猎户系列和联发科系列，在MCU端

主要是STM32以及国产的GD32，其它⼚商的芯⽚⽤于其它领域，⽐如汽车电⼦、智能家居等。在CPU处理器上，有华为海思的鲲鹏

920CPU（应⽤于泰⼭服务器中）和FT的CPU（军⼯领域），虽然FT的CPU起步很早，但是鲲鹏显然有后来居上之趋势。国内ARM芯⽚

做的最好的是华为海思，鲲鹏920CPU性能在ARM架构中是NO1，另外海思麒麟系列⼿机芯⽚已发展为全球前三的地位，海思的视频处理

芯⽚以及IoT芯⽚，在⾏业中都是标杆的产品。

在2020年11⽉11⽇，apple公司发布了新⼀代的macbook，亮点就是使⽤了apple⾃⼰的ARM架构的M1。由于ARM的功耗⼩，在新⼀代的

macbook上，apple⼤胆的去掉了散热风扇芯⽚，将笔记本厚度进⼀步压缩，续航时间达到了18⼩时。同时，搭载M1芯⽚的macbook

CPU性能提升⾄3.5倍，GPU性能提升⾄5倍，机器学习性能提升⾄9倍。根据apple公司的影响⼒，未来PC中市场将会被ARM架构的

CPU替代。（天下苦wintel久已）

4MPIS架构

MIPS是世界上很流⾏的⼀种RISC处理器。MIPS的意思是“⽆内部互锁流⽔级的微处理器”(Microprocessorwithout

interlockedpipedstages)，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技术公司是美国著名的芯⽚设计公司，它采⽤精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯⽚。和英特尔采⽤的复杂指令系统计算结构

(CISC)相⽐，RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点，并可以应⽤更多先进的技术，开发更快的下⼀代处理器。MIPS是出现最早的

商业RISC架构芯⽚之⼀，新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并增加了许多更强⼤的功能。MIPS⾃⼰只进⾏CPU的设计，之后把设计

⽅案授权给客户，使得客户能够制造出⾼性能的CPU。

1984年，MIPS计算机公司成⽴，开始设计RISC处理器；

1984年，MIPS计算机公司成⽴，开始设计RISC处理器；

1986年推出R2000处理器。

1992年，SGI收购了MIPS计算机公司。

1988年推R3000处理器。

1991年推出第⼀款64位商⽤微处器R4000；之后⼜陆续推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型

号。

1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司；随后，MIPS公司的战略发⽣变化，把重点放在嵌⼊式系统；1998年－MIPS科技股票在美

国纳斯达克股票交易所公开上市。

1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。新的架构集成了所有原来NIPS指令集，并且

增加了许多更强⼤的功能。MIPS公司陆续开发了⾼性能、低功耗的32位处理器内核（core）MIPS324Kc与⾼性能64位处理器内核

MIPS645Kc。

2000年，MIPS公司发布了针对MIPS324Kc的版本以及64位MIPS6420Kc处理器内核。

2007年8⽉16⽇－MIPS科技宣布，中科院计算机研究所的龙芯中央处理器获得其处理器IP的全部专利和总线、指令集授权。

2007年12⽉20⽇－MIPS科技宣布，扬智科技已取得其针对先进多媒体所设计的可定制化系统单芯⽚（SoC）核⼼“MIPS3224KEcPro”授

权。

MPIS架构授权和ARM架构授权不⼀样，ARM架构授权⽤户基本不能⾃⾏修改，⽽MPIS架构授权后，可以⾃⼰修改。⽬前MPIS发扬光⼤

寄希望中科龙芯公司，龙芯处理器从龙芯1号，到现在的龙芯3号系列的3A4000，CPU的性能已经⼤幅度提⾼，在完全可以胜任⽇常办公

或者作为特殊⽤途的服务器。龙芯CPU和国产的飞腾（FT）处理器并驾齐驱，发展我国⾃主可控CPU。

5PowerPC系列

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IBMPowerPC601微

处理器POWER（PerformanceOptimizedWithEnhancedRISC；《IBMConnect电⼦报》2007年8⽉号译为“增强RISC性能优化”）架构。

⼆⼗世纪九⼗年代，IBM(国际商⽤机器公司)、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯⽚成功，并制造出基于

PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、⽅便灵活。

PowerPC处理器有⼴泛的实现范围，包括从诸如Power4那样的⾼端服务器CPU到嵌⼊式CPU市场（任天堂Gamecube使⽤了

PowerPC）。PowerPC处理器有⾮常强的嵌⼊式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串⾏和以太⽹

控制器那样的集成I/O，该嵌⼊式处理器与“台式机”CPU存在⾮常显著的区别。

6SPARC架构

SPARC架构（ScalableProcessorARChitecture，可扩展处理器架构）是国际上流⾏的RISC处理器体系架构之⼀，SPRAC如今已发展成

为⼀个开放的标准，任何机构或个⼈均可研究或开发基于SPRAC架构的产品，⽽⽆需交纳版权费。SPARC处理器架构具备精简指令集

（RISC）、⽀持32位/64位指令精度，架构运⾏稳定、可扩展性优良、体系标准开放等特点。SPARC因此得以迅速发展壮⼤，在现在已

经有⼤约3万多个成功的应⽤案例。

SPARCV7/V8是⽬前嵌⼊式控制系统常⽤的处理器标准版本，并在航天设备的电⼦系统中得到⼴泛应⽤。然⽽，SPARC只是⼀个处理器

的架构标准，并不提供现成的源码或IP核，具体的芯⽚实现要由开发者去完成。

运⾏OracleSolaris的OracleSPARCT4服务器提供了创世界纪录的性能，其单线程性能提⾼了5倍、内存容量⾼达2TB且实现了极⾼的系

统吞吐量和I/O容量。SPARCT4服务器适⽤于需要极⾼的可靠性、可⽤性和集成式⽚上加密加速的企业应⽤程序和任务关键型应⽤程序，

可确保最终的安全性。

7Alpha架构

Alpha处理器最早由DEC公司设计制造，在Compaq(康柏）公司收购DEC之后，Alpha处理器继续得到发展，并且应⽤于许多⾼档的

Compaq服务器上。⾃1995年开始开发了21164芯⽚，那时的⼯艺为0.5um，主频为200MHz。1998年，推出新型号21264，当时的主频是

600MHz。较新的21264芯⽚主频达到1GHz，⼯艺为0.18um。在该芯⽚具有完善的指令预测能⼒和很⾼的存储系统带宽（超过1GB/s），

并且其中增加了处理视频信息的功能，其多媒体处理能⼒得到了增强。

Alpha架构于1992年2⽉25⽇，在东京召开的⼀次会议上⾯被正式推介，新架构的关键特性都⼀⼀的被罗列出来。当时说Alpha只是产品开

发的内部代号。新处理器采⽤完全64-bitRISC设计，执⾏固定长度指令(32bits)。有32个64bit整数寄存器，操作43-bit的虚拟地址(在后来

能够扩充到64-bit)。和VAX相同，使⽤little-endian字节顺序，即低字节的寄存器占⽤低内存地址线。⽽不像如摩托罗拉等⼤多数处理器所

使⽤的big-endian字节顺序，即低字节寄存器占⽤⾼内存地址线。除此之外，处理器还内建⼀个算术协处理器，有32个浮点64-bit寄存器，

采⽤随机存取，⽽不是在intelx86协处理器上使⽤的堆栈存取⽅式。整个Alpha的⽣命周期被设计为⾄少25年。

Alpha处理器被⽤于DEC⾃⼰的⼯作站和服务器中。作为VAX的后续被开发，⽀持VMS操作系统，如DigitalUNIX。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DSB。Microsoft⽀持这款处理器，直到WindowsNT4.0SP6，但是从Windows2000RC2开

始放弃了对Alpha的⽀持。

⽬前国内采⽤此架构的是申微超算处理器，得益于国家的⽀持，申威处理器在军队应⽤⼴泛。

8架构之间的竞争

8.1PC和服务竞争

PC端和服务器端是X86架构的天下，⽽X86架构基本是以Intel为⾸，AMD为辅⼆分天下之势。国产CPU基本只能⽤在军⼯⾏业或者事业单

位等。其实说性能，powerpc，可谓是⾼出不胜寒。硬件⽅⾯，Power系统在可靠性、可⽤性和可维护性的⽅⾯的出⾊表现使得IBM从芯⽚

到系统所设计的整机⽅案有着独有的优势。Power架构的处理器在超算、⼤型企业的UNIX服务器等多个⽅⾯应⽤也⼗分成功。在软件⽅

⾯，其专⽤的AIX系统在稳定性、软件⽅案集成度和⼚商技术⽀持能⼒⽅⾯都要更强。由于⽤户选⼀平台主要看软件需求，⼀般对数据保护

和7*24⼩时不宕机等有所要求，power架构的稳定性和运维等⽅⾯相对更优。但是，由于IBM的技术把控，使得其价格太不友好，同时技术

也赶不上环境的变化，在云计算兴起后，随着分布式系统逐渐成熟，系统对⼩型机的依赖开始降低，改为依靠集群提供，性能也可实现分

布式处理。⽽更为关键的是，IBM的全套服务尽管稳定性优秀，但却影响了Power架构对其他商家的吸引⼒。

⽽Sparc架构和Power架构基本犯了同样的错误：价格不友好。SPARC架构测成功和Sun旗下的Solaris系统有着密不可分的关系。当计算

机系统庞⼤、⽤户数量巨⼤增加时，基于Unix操作系统打造的Solaris能更好地利⽤计算机资源，是所有商业版中最可靠最完善的版本。⽽

依赖SPARC架构和Solaris系统的性能和可靠性，其占领了服务器⾼端市场。Sun的另⼀个更为知名的产品是Java，虽然在上世纪90年代为

智能家电开发的Java并没有为其带来相应的回报，但已成为今天移动时代最重要的开发语⾔。如此强⼤的实⼒本应统领服务器市场，但遗

憾的是，在windows和英特尔组成Wintel联盟之后，两者凭借⾃⾝在各⾃市场的规模效应，使得采⽤Wintel产品的服务器⼚商可以通过低廉

的价格⼤肆抢占中低端市场。⽽当Sun醒悟过来，通过开源等⽅式想要挽回败局时为时已晚。

X86架构与Power和SPARC在⾼性能领域的风⽣⽔起不同，x86架构是天⽣的⼩屌丝。1978年他出⽣的那年，英特尔还只是⼀个普通的科

技公司。可是x86架构随同其cisc指令集却开启了⼀个新的时代。x86之所以可以赢得市场主要原因在于其是⼀个⼗分开放的架构。IBM和

SUN当年都是从芯⽚到服务器到系统⼀⼿包办的公司。⽽英特尔则是⼀个⼗分纯粹的芯⽚⼚商，其业务仅与AMD等少数芯⽚⽣产者存在竞

争，这就使得服务器⼚商不⽤忌惮与之发⽣竞争关系。

单从性能来看，⽆论Power还是SPARC架构都可以击溃x86，可是最终能够赢下来的却偏偏是"最弱"的x86架构。这并⾮劣币淘汰良币，⽽

是市场竞争的选择，根源上讲，x86的成功在于英特尔根本不碰服务器。因此不论设备⽣产商、软件开发者或者系统开发者都可以与不存在

利益竞争关系的英特尔合作。受益于此，x86架构的兼容性也越发强⼤，⽣态体系越发完善，这才成就了现如今市场占有率超过90%的⼀家

独⼤局⾯，英特尔也借助x86架构⼀跃成为全球顶级的芯⽚提供商。

8.2移动端竞争

正如PC和服务器端是X86的天下⼀样，移动端是ARM的天下。Intel在CPU界的⼤名，可谓家喻户晓，但是在⼿机登移动端却难以看到英国

正如PC和服务器端是X86的天下⼀样，移动端是ARM的天下。Intel在CPU界的⼤名，可谓家喻户晓，但是在⼿机登移动端却难以看到英国

ARM公司背影。在2006年，⾃从AMD的64位处理器发布以来，AMD成功逆袭了Intel，市场占有率⼤幅上升，⽽Intel⽼迈的P4处理器则是

腹背受敌，尽失昔⽇霸⽓，市场表现⼀路⾛低。为了稳住投资⼈的信⼼，最好的做法⾃然是让公司持续盈利，为此Intel进⾏⼤规模的重

整，包括上任新CEO欧德宁、⼤规模裁员、以及出售XScale⼿机处理器业务。正因为这个举措，使得Intel到达了⼈⽣巅峰，从PC市场有

赚的钵满盆满，然⽽也是因为此，Intel忽视了移动领域的迅猛发展。（当年，Intel拒绝了乔帮主还是PPT的Iphone⼿机，不然是否就会不

⼀样？但是想⼀下IphoneX使⽤Intel基带，信号差的诟病，Intel做⼿机芯是否会臭名昭著也未可知）

和Intel公司不同，ARM公司不制造，不销售芯⽚，⽽是只⾃⼰设计IP核，包括指令集架构、微处理器、GPU、互连架构等，然后谁想⽤就

授权卖给谁，再从每颗实际造出来的产品中收取版税。ARM有三种授权模式，分别是架构授权、内核授权、使⽤授权，分别对应⼤中⼩公

司，⾮常讨喜，贴个牌⼦就能说是⾃⼰的CPU，为ARM处理器的⼴泛使⽤打下坚实基础。

ARM的成功除了商业模式的独特之外还少不得⾃⾝素质的优秀，Intel技术毫⽆疑问是顶尖的，但应⽤场景在传统PC上，换成移动设备就⾏

不通了，移动设备⽐起性能⾸先要考虑功耗和续航，Intel就吃了这个⼤亏，X86架构独步天下肯定是不能随意变改的，移动设备当然继续沿

⽤X86架构，然⽽换来却是⾼功耗和快速掉电，换谁都看不上。反之功耗控制则是ARM的强项，使⽤精简指令集（RISC）和创新的

架构，使ARM处理器能耗⽐⼀直领先于Intel。

Intel正在积极布局，推出应⽤于IoT物联⽹的AtomE3900及车载电⼦的AtomA3900系列，号称CPU性能提升70%，GPU性能提升

190%，其中AtomA3900特别针对⾼温环境设计，可在110°C⾼温下使⽤15年。Intel是⼀家伟⼤的企业，但也是会犯错误的，既然已经错

失移动市场，不妨暂时脱离，提前做好下⼀阶段的技术研发（5G），也有可能实现弯道超车。