ARM 与 RISC-V：流行处理器架构之间的差异

熟悉CPU技术的人都知道，这个行业不仅仅是Intel和AMD发布的x86和x64处理器。 长期以来，ARM 架构一直为全球无数设备提供支持，尤其是 Android 和 iOS 设备。 另一方面，RISC-V架构不断崛起，获得投资并日益被采用。

技术路径者非常清楚 ARM 对于这个行业的重要性。 确实，它为通常便携式且需要较低处理能力的处理器赋予了生命。 不过，近年来，ARM芯片开始进入更多的Windows桌面电脑，并变得更具竞争力。 那么旨在与 ARM 竞争的 RISC-V 架构又如何呢？ 你们中的许多人以前一定听说过这句话。 RISC-V 是完全免费和开源的，从长远来看，即使不是短期内，也肯定会名声大噪。

RISC-V和ARM是近年来备受关注的两种基本指令集架构。 RISC-V 是一种基于精简指令集计算 (RISC) 原理的开源指令集架构 (ISA)。 ARM 也是基于 RISC 的。 它也是一种专有 ISA，因其在市场上的长期存在而赢得了声誉，成为尤其是嵌入式系统和移动设备的主导选择。

比较这两种架构对于了解它们的优缺点以及它们对未来计算的潜在影响至关重要。 在本文中，我们将尝试介绍 RISC-V 和 ARM 的历史、架构特征、性能和功效。

ISA（指令集架构）是什么意思？

首先，我们需要知道指令集架构是什么意思。 每个处理器操作的核心是其指令集架构 (ISA)，这是一个概述处理器可以理解和执行的指令集的蓝图。 它充当硬件和软件之间的基本桥梁，塑造处理器的功能和性能。 ISA的选择直接影响软件的开发过程，并对处理器的效率、兼容性和灵活性产生持久的影响。

作为 CPU 设计的起点，ISA 建立了诸如基本指令、可选指令的包含以及哪些类型的软件可以在 CPU 上本机运行等原则。 ISA 通常分为两种类型：开放式和封闭式。 封闭式 ISA（例如 ARM）是专有的，并由特定公司（例如 Arm Holding）严格控制，提供内置的可靠性和合规性，但限制定制。 另一方面，以 RISC-V 为代表的开放 ISA 以社区为中心，通过提供更大的定制灵活性来鼓励创新和适应特定需求。

随着 RISC-V 的影响力越来越大，ARM-RISC 的争论开始在科技界流传。 这些 ISA 中的每一个都提供独特的设计和方法来满足不断变化的计算需求。

什么是处理器架构？

中央处理单元（CPU）就像计算机、智能手机或平板电脑等设备的大脑。 但处理器并不完全是你想象的那样。 仅当处理器接收到非常具体的指令（告诉它在存储单元和内存之间移动数据时或在特定处理单元的操作（例如乘法、减法或除法）期间执行计算）时，处理器才会起作用。 这些指令称为指令集。 在这种情况下，不同的处理器类型需要不同的指令集。 指令集可以通过不同的规模变得更加复杂，并在强大的处理器上使用。 此外，指令集在塑造处理器的硬件方面发挥着作用，并且可能需要不同的设计。

在手机或计算机上运行的应用程序不是使用处理器使用的指令集进行编码的。 用各种高级编程语言（例如Java或C++）编写的应用程序具有特定的指令集，以便它们可以在ARM或x86处理器上正确运行。 这样，应用程序就可以在 ARM 或 x86 架构上运行而不会出现错误。 给定的指令由需要一定处理能力的处理器内的微代码操作进行分析。 如果您想要一个低功耗处理器，保持指令集简单非常重要。 因此，可以通过更复杂的处理器设计和指令来实现更高的性能。

这是 ARM 和 x86 设计方法之间的主要区别。 x86 架构传统上以最高性能为目标，而 ARM 架构则以能源效率为目标。 完全开源的RISC-V被视为ARM的竞争对手。

什么是ARM？

ARM 减少了 CPU 的指令集架构，特别是智能设备和其他低功耗设备。 与32/64位桌面CPU使用的复杂指令集（CISC）架构相比，ARM由于其精简的指令集架构而具有一些局限性，但可以提供低得多的功耗，并随着时间的推移成为主流CPU架构。有才华的。

我们总是使用缩写 ARM，但它代表什么？ ARM 代表 Advanced RISC Machines，该公司负责生产 ARM CPU。 这些芯片长期以来一直是智能设备行业的最爱，就连苹果Mac电脑近几年使用的主要CPU架构也是基于ARM的。

Apple 在模拟 Windows 使用的 x86 CISC 方面取得的进展就证明了这一点； 如果使用得当，如果有硬件和软件支持，ARM 可以用来运行更强大的应用程序。 在桌面领域，甚至在服务器端，ARM 还有其他示例。 尽管 ARM 上的 Windows 项目并未实现最初的预期，但 Snapdragon X Elite 处理器强势进入基于 Windows 的计算机。

简而言之，ARM 是一家设计、许可和销售基本处理器组件的公司，以便品牌和科技公司可以创建自己的处理器。 公司名为 ARM 64 位 ARM64 他是这些设计以及指令集架构的真正所有者。 公司的基本逻辑是获取零部件的知识产权（IP） 指令集 授权给第三方公司。 获得许可的公司可以在一定条件下利用ARM的基本设计来创建自己的处理器设计。 在某种程度上，ARM 为想要使用自己的处理器构建系统的客户承担了繁重的任务。

我们还要提醒您，ARM 公司并不生产自己的芯片。 此外，该公司没有自己的生产设施。 相反，生产权被授权给其他公司，ARM 控股公司将这些公司称为“合作伙伴”。 使用 ARM 的架构模型作为模板，各公司正在构建使用 ARM 内核作为中央处理器的系统。

因此 ARM 合作伙伴可以设计自己的系统的其余部分。 如果公司愿意，他们可以自己生产这些系统或将生产外包给其他人。 然后他们可以像出售自己的处理器一样出售这些处理器。 除了三星和苹果的许多智能手机和平板电脑之外，所有配备高通生产的处理器的设备都使用各种 ARM 许可证。

每个包含基于 ARM 的处理器的设备往往都有自己独特的设计。 公司可以将处理器核心以外的不同单元集成到芯片封装中，例如上图中的多单元高通Snapdragon 845移动处理器。 正如我们之前详细提到的，这些处理器称为片上系统 (SoC)。

什么是 RISC-V？

RISC-V是一种开源指令集架构（ISA），近年来因其灵活性、模块化和可扩展性而受到极大关注。 我们所说的开源是什么意思？ 与专有架构不同，它是一个您可以访问蓝图并根据您认为合适的方式进行自定义的平台：它允许广泛的自定义选项，允许开发人员生产针对特定应用程序和用例定制的处理器。

这导致它在各个行业得到采用，从嵌入式系统和物联网设备到高性能计算和人工智能。 可以生产具有成本效益的定制处理器、创建创新应用程序并创建强大的安全应用程序。 RISC-V 的价值最近被人们所了解，任何人都可以免费定制和使用。 因此，虽然它被认为是计算的未来，但它仍然受到领先技术巨头的关注。

ISA 是任何 CPU 设计的起点，它决定基本的事情，例如基本指令、可以添加哪些可选指令以及可以在 CPU 上本机运行哪种软件。 该基础架构基于精简指令集计算 (RISC) 原理，不像 x86 架构那么复杂。 事实上，我们正在寻找一种更容易理解、更简单、免费、更容易生产、指令集更少的芯片结构。

RISC-V International（前身为RISC-V基金会）开发的指令集架构不断进步。 虽然 x86 芯片采用复杂指令集 (CISC) 架构构建，但 ARM 和 RISC-V 有所不同。 RISC-V 的特殊之处在于：它是一个完全开放的标准，任何想要使用现有 RISC-V 设计的公司都可以自由地这样做并根据自己的意愿进行修改。

由于 x86 由 Intel 和 AMD 共同拥有，因此没有其他公司可以（合法）生产使用该架构的处理器。 虽然企业可以制造自己版本的ARM芯片，但不仅要向Arm公司付费，而且也无法取代ISA。 对于 RISC-V，它字面上意味着自由。

我们希望这种情况不会改变，尽管看起来会有所改变。 RISC-V International（RISC-V 背后的公司）经常将一切吹捧为“开放”和“开源”，但他们最近有点远离开源。 这是因为即使 ISA 是开源的，真正的 RISC-V 芯片也可以是专有的和闭源的。 让我们总结一下：虽然任何公司或组织都可以免费使用 RISC-V ISA，但真正的产品可以是封闭的盒子，例如 x86 或 ARM。

当然，这种方法有其优点和缺点。 好处是没有许可费或设计限制； 这对于想要尽可能自主并降低开发成本的公司来说非常有用。 坏消息是，CPU 是一项非常困难的任务，利用如此大的自由度来实现某些目标并不容易。 此外，生产自己的 RISC-V 处理器的公司不必与其他公司共享这项技术。 那些想要的人可以像 Arm 一样获得设计许可。

为什么 RISC-V 如此重要？

RISC-V的发展引起了许多问题的关注，包括对处理器设计的更大定制性和灵活性的需求、减少对专有ISA的依赖的愿望，以及对节能和具有成本效益的计算解决方案不断增长的需求。 RISC-V 提供开放、模块化和可扩展的 ISA，开启了处理器设计创新的新时代，并有可能重塑半导体行业的格局。

开源方法鼓励广泛的参与者之间的协作并支持模块化生态系统，从而能够开发针对特定应用程序的定制处理器。 RISC-V 的另一个最重要的优势是它的可扩展性。 该架构旨在轻松扩展，以适应从嵌入式系统到高性能计算的各种应用。 无论是为微控制器、物联网 (IoT) 设备还是数据中心供电，RISC-V 都可以提供可定制的解决方案，以满足每个应用的特定要求。

接下来，RISC-V 领域缺乏相关许可费用会产生经济后果。 公司可以实施 RISC-V，而无需承担专有架构许可的财务负担，这使其成为半导体行业初创公司和小型企业的有吸引力的选择。 所提供的可访问性导致了处理器设计的民主化，允许更多创新进入市场并促进计算技术的进步。

RISC-V 对于未来来说更加重要。 随着技术领域和半导体行业的挑战日益增加，RISC-V 可能变得更加重要。 对定制加速器和特定领域架构的需求不断增加，RISC-V 为构建此类处理器提供了基础。 开源促进了人工智能、机器学习和其他新兴技术加速器开发方面的合作。

RISC-V 在计算机架构领域开辟了新天地，通过鼓励创新和协作，不仅正在塑造边缘计算的未来，而且正在塑造整个计算的未来。

RISC-V 与 ARM：哪个更好？

这两种架构有相似之处，也有不同之处。 因此，RISC-V 越来越受到业界的关注。 目前，它是小型应用程序的绝佳选择，并且比 ARM 同类产品具有一些优势。 开源架构正在吸引越来越多大型科技公司的关注，其生态系统也在不断扩大。 另一方面，ARM 以其更加成熟和成熟的产品系列继续主导市场。 ARM还有更多选择。 此外，它的工具和硬件稳定、支持良好且文档齐全。 市场上丰富的设备也确保了它多年来一直是公司的可靠解决方案。 简单列出RISC-V和ARM的区别：

• 建模和架构从历史上看，ARM 一直主导着微处理器市场，从低功耗设备到高性能处理器。 这主要是由于其许可模式，允许不同的公司许可 IP 并针对自己的应用程序进行定制。 此外，ARM 还开发了多个处理器系列，例如用于高性能应用的 Cortex-A、用于实时应用的 Cortex-R 以及用于节能应用的 Cortex-M。 另一方面，正是 ARM 的专有建模激发了 RISC-V 架构的灵感。 伯克利的研究人员已将该架构作为开源替代方案提供，以鼓励该技术的进一步创新。 此后，它被谷歌、英伟达等许多主要科技公司采用，而且这些公司的数量与日俱增。
• 开源和许可：RISC-V 是开源的，而 ARM 是专有的 ISA。 虽然那些想要使用 ARM 设计的人需要支付许可费，但 RISC-V 目前是完全免费的。
• 命令集RISC-V 具有固定的指令集架构，具有基本的整数指令集和浮点运算、原子运算、向量处理等功能的可选扩展。 另一方面，ARM 拥有多种指令集，包括 ARMv7、ARMv8 以及各种扩展，例如用于 SIMD（单指令、多数据）操作的 NEON。
• 灵活性和定制化：由于 RISC-V 是开源的，因此它具有更大的灵活性和定制性，允许设计人员根据其特定需求定制 ISA。 虽然 ARM 通过其扩展提供了一定程度的可配置性，但由于其专有性质，它也存在局限性。
• 生态系统和行业采用：ARM 拥有完善的生态系统，提供广泛的处理器、开发工具以及来自各个供应商的支持。 它广泛应用于移动设备、嵌入式系统，并且越来越多地应用于服务器和数据中心。 RISC-V 的生态系统仍处于成长阶段，但它正在引起人们的广泛关注，特别是在学术界、研究和初创企业中，在物联网、边缘计算和一些服务器应用中也可以看到例子。
• 性能和功效：ARM 架构在其市场主导地位中将能源效率作为一个主要关注领域。 他们目前提供低功耗设备的选项，重点关注电源效率和易用性。 有适合移动电话等高端应用的硬件浮点和 DSP 扩展选项。 除了高端应用之外，还提供广泛的节能功能。 例如，动态电压和频率缩放，允许处理器根据实时要求减少或增加芯片的电压和时钟。 另一方面，RISC-V 允许更小的硅占用空间，这使其具有功耗优势。 此外，固定的32位指令格式和16位压缩指令扩展可以帮助实现更节能的代码。 总体而言，尽管 RISC-V 提供了降低功耗设备的潜力，但目前还没有实现。 RISC-V 仍需要投入工作和时间才能开始从 ARM 手中夺取市场份额。
• 成本和可达性：由于无需支付与 ARM 相关的许可费用，因此对于公司而言，实施 RISC-V 内核可能更具成本效益。 ARM 内核通常需要许可费，这些要求可能会增加使用 ARM 架构的设备的生产成本。
• 命令编码：RISC-V使用固定长度指令编码，简化了解码逻辑。 另一方面，ARM 使用可变长度指令编码，从而允许更紧凑的代码。 然而，提供了可能更复杂的解码逻辑。

RISC-V 和 ARM 的根源：什么是 RISC？

正如我们提到的，RISC-V和ARM架构的本质是精简指令集计算（RISC）的概念。 RISC 是一种处理器设计理念，通过使用一小组简单的通用指令来强调简单性和效率。 换句话说，它与复杂指令集计算（CISC）形成直接对比，后者使用更大的更复杂的指令集，可以在单个指令中执行多个操作。

RISC 架构优先考虑简单性，每个时钟周期执行一条指令。 因此，现代设计和高效的解码过程成为可能。 另一方面，CISC 架构使用可以执行多个操作的复杂指令，并且可能需要多个时钟周期来执行。

事实上，这两种类型都旨在通过不同的方法来提高 CPU 性能。 两者各有优点和缺点。 让我们看看 RISC 方法相对于 CISC 与我们的主题相关的优势：

• 简化硬件实施：它简化了处理器的硬件实现，因为需要解码和执行的指令更少。 这可以带来更快的执行时间和更低的功耗。
• 更高的命令级别并行性RISC 处理器通常具有更高的指令级并行性，这可以通过允许它们同时执行多个指令来进一步提高性能。
• 简单：RISC 指令集的简单性使得开发编译器和其他可以生成处理器高效代码的软件工具变得更加容易。

	精简指令集	CISC
每个周期的指令	小且固定长度	大且可变长度
指令复杂度	简单、标准化	复杂且多功能
指令执行	单时钟周期	多个时钟周期
内存使用情况	RAM 使用率高	更有效地使用 RAM
记忆	增加存储指令的内存使用量	内存高效编码
成本	成本较高	比 RISC 便宜