都是精簡指令集，RISC-V拿什么挑戰(zhàn)ARM？

我們指揮電腦工作，不能簡單的和電腦說：“嘿，幫我運行個程序。”因為計算機只能理解0和1組成的指令（機器語言），難道人類要想操作電腦就需要輸入成千上萬的0和1嗎？稍微了解編程的朋友知道，使用編程語言讓電腦輸出“hello,world”只需要一行簡單代碼：

printf (“hello,worldn”);? ?//c語言描述

print(hello,world)? ?#Python語音描述

這就比只有0和1的命令簡單明了的多。事實上當計算機運行這行代碼時，CPU收到的依舊是只有0和1的命令串，這中間的變化，就是指令集（ISA）與編程語言（匯編+高級）共同幫我們翻譯的，指令集則是最接近機器語言的“翻譯官”。簡單的說，指令集就是一串串二進制機器語言的合集，用來描述這些二進制指令的語言叫做匯編語言，后來又出現(xiàn)了許多編譯器和高級語言來幫助程序員更方便的編程。本文將要講到的RISC-V與ARM都是指令集的一種。

Add Immediate指令（二進制機器語言） ?圖源：維基百科

要想設(shè)計一個處理器，第一步就需要確定這這顆處理器使用的指令集是什么。指令集決定了這顆芯片在工作時具體的計算方式，芯片上數(shù)量眾多又復雜晶體管其實就是將指令集用電路固定下來。

總而言之，指令集對芯片來說十分重要，它能直接決定芯片的電路布局方式，是每一種新型的CPU在設(shè)計時就規(guī)定的一系列與硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。而指令集的先進與否，也關(guān)系到CPU的性能發(fā)揮，它也是CPU性能體現(xiàn)的一個重要標志。

目前指令集也分為兩類，精簡指令集和復雜指令集，但它們的區(qū)別并不是二進制命令的長短。

復雜指令集VS精簡指令集

指令集剛誕生時較為繁瑣，人們通過優(yōu)化將部分指令打包在一起，再把一些原來由軟件實現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)實現(xiàn)，以此來提高計算機的執(zhí)行速度，這種指令集稱為復雜指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）。在復雜指令集中，存儲器讀取、存儲和計算操作往往全部集中于單一指令中。復雜指令集的特點是指令數(shù)目多而復雜，每條指令字長并不相等，電腦必須加以判讀，并為此付出額外性能。

20世紀80年代，為了解決計算機性能不足的問題，人們找到了另一種優(yōu)化指令集的方法。芯片設(shè)計師選擇僅保留一些功能簡單，執(zhí)行快速的簡單命令，將復雜程序用用一段程序來實現(xiàn)，這種指令集就被稱為精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。RISC屬于等長指令集，CPU在執(zhí)行指令的時候速度較快且性能穩(wěn)定。與復雜指令集相比，精簡指令集更容易實現(xiàn)諸如程序調(diào)用和返回，循環(huán)等指令，指令并行執(zhí)行程度更好，編譯器的效率更高。

RISC與CISC指令的區(qū)別 ?圖源：Tech Journeyman

既然RISC優(yōu)勢這么明顯，那是不是RISC必然會替代所有CISC指令集了呢？

并沒有，與CISC相比，RISC指令集也有自身不足。雖然RISC指令較為簡單，但其本身擁有的指令較少，在完成某些任務(wù)的時候需要執(zhí)行更多指令，這也使得RISC在編譯時代碼長度要顯著長與CISC，因此也需要占用更多內(nèi)存，編譯難度也會增加。業(yè)內(nèi)有專家曾分析RISC的缺點：“執(zhí)行同樣的功能，一個RISC程序比一個CISC程序長30%。同時，RISC對編譯器要求較高，優(yōu)化編譯器是一項極其復雜且技術(shù)要求很高的工作，它必須由RISC機制造單位自身編制，因為沒有RISC詳細原始資料不可能產(chǎn)生編譯程序的目標代碼。因此這會讓第三方公司增加額外的軟件配套費用?！?/p>

RISC與CISC，本質(zhì)上并無優(yōu)劣之分，只有適用場景的不同。例如屬于復雜指令集的x86架構(gòu)，讓英特爾與AMD處理器產(chǎn)品在CPU領(lǐng)域保持著絕對優(yōu)勢。因為桌面端或服務(wù)器端處理器相比移動端能夠較少考慮功耗與續(xù)航問題，因此它們的性能足夠強悍，不會被CISC的特性拖累，反而可以更高效的執(zhí)行復雜任務(wù)。但移動端計算機（手機、平板電腦等）的處理器在設(shè)計時，除了要考慮性能外，功耗與散熱同樣重要，這就給了RISC指令集發(fā)展空間，因此在移動端市場爆發(fā)時期，屬于RISC指令集的ARM架構(gòu)脫穎而出，目前占據(jù)了最多移動端市場，我們熟悉的高通驍龍系列與三星Exynos系列芯片均使用了ARM公司的IP核心。

8086CPU，標志著x86架構(gòu)誕生 ?圖源：百度百科

RISC-V與ARM的誕生

ARM芯片的誕生十分有戲劇性。

1981年，剛成立3年的Acorn公司（橡果電腦有限公司）獲得了英國廣播公司生產(chǎn)電腦的訂單。但那時處理器正處于8位與16位的更替時期，Acorn沒有符合需求的芯片，于是它們轉(zhuǎn)頭向摩托羅拉尋求幫助 。摩托羅拉雖然提供了16位芯片產(chǎn)品，但由于芯片中斷響應(yīng)時間過長，最終沒有通過評估。Acorn決定向英特爾尋求幫助，希望對方提供一些80286處理器的設(shè)計資料和樣品，但是卻遭到回絕。Acorn一氣之下決定自己制造芯片，經(jīng)過多年的艱苦奮斗，兩位來自劍橋大學的科學家最終完成了自己的芯片設(shè)計，并將它命名為Acorn RISC Machine，也就是ARM芯片，RISC就是前文提到的精簡指令集。1990年11月27日，Acorn公司正式改組為ARM計算機公司。

經(jīng)過多年的發(fā)展，如今的ARM早已不再是面對英特爾時“吃癟”的小公司。當前ARM的Cortex核心已經(jīng)得到市場的廣泛認可，小到兒童手表、智能手機，大到數(shù)字電視、智能汽車、CT機，基于ARM架構(gòu)的芯片已經(jīng)覆蓋先當多電氣設(shè)備。ARM在移動端儼然已獲得當年英特爾在處理器領(lǐng)域的地位。

ARM處理器架構(gòu)分類 ?圖源：Circuit Digest

屠龍者終成“惡龍”，那RISC-V這位 “勇士”又該怎么挑戰(zhàn)ARM呢？我們先來認識一下RISC-V，并對比一下它們有什么區(qū)別。

RISC-V是加州大學伯克利分校 RISC ISA 設(shè)計的第五版。羅馬數(shù)字“V”表示“變體”和“向量”，表示它支持一系列計算機體系結(jié)構(gòu)研究。2010年，當時加州大學伯克利分校計算機系教授Krste Asanovi? 博士想要制定一個像Linux 一樣的開源計算機系統(tǒng)規(guī)范。在獲得了David Patterson 博士的幫助后，它們于1990 年代開始RISC 芯片的設(shè)計工作，最終形成了 RISC-V。后來，RISC-V 基金會成立，旨在維護、宣傳和管理RISC-IV IP，并協(xié)助廠商相互合作。此后由于美國對先進芯片的出口限制，RISC-V基金會從美國加利福尼亞州轉(zhuǎn)移到瑞士工作。目前，它在 50 個國家和地區(qū)擁有約 1,000 多個會員（公司），其中包括華為、阿里巴巴、谷歌、英偉達 和 IBM 等重量級企業(yè)。

RISC-V會員 ?圖源：Circuit Digest

RISC-V VS ARM

RISC-V與ARM一樣，都是屬于RISC精簡指令集，目前網(wǎng)上已經(jīng)有很多媒體分析過這兩種指令集開源與封閉、免費和收費的區(qū)別，今天我們一起看看它們在架構(gòu)上有什么異同。

從內(nèi)存交互方式看，RISC-V與ARM都使用加載-存儲體系結(jié)構(gòu)，即只有在存和取數(shù)據(jù)時可以訪問存儲器（內(nèi)存），運算型指令操作均在CPU內(nèi)完成，最終的計算結(jié)果也將寫回內(nèi)存中。但兩種指令集的字節(jié)順序（Endianness）不同，字節(jié)順序是字節(jié)在存儲在內(nèi)存中或通過數(shù)字鏈接傳輸時被安排成更大數(shù)值的順序，可根據(jù)高位優(yōu)先與低位優(yōu)先分成兩種：大端模式（高位優(yōu)先，Big-endian）或小端模式（低位優(yōu)先，Little-endian）。ARM處理器默認是小端模式，但也支持大端模式，而RISC-V僅支持小端模式，兩種模式?jīng)]有優(yōu)劣之分，僅在數(shù)據(jù)處理時有不同的優(yōu)點。

大端與小端區(qū)別 ?圖源：CSDN

從架構(gòu)復雜程度看，RISC-V本身非常簡單，基礎(chǔ)指令集則只有40多條，加上其他的模塊化擴展指令總共幾十條指令，其規(guī)范文檔僅有145頁，而“特權(quán)架構(gòu)文檔”的篇幅也僅為91頁。ARM由于是一種封閉的指令集架構(gòu)，所有廠商在采用ARM IP核心后，不能基于原有設(shè)計自行更改芯片，企業(yè)只能調(diào)整自身需求來迎合ARM核心。經(jīng)過多年的發(fā)展，ARM指令集變得極其復雜和繁瑣，相應(yīng)的架構(gòu)文檔有上千頁。這也變相導致了ARM處理器的研發(fā)門檻要遠高于RISC-V。

從定制化方面看，RISC-V沒有針對任何功能、架構(gòu)或目標進行過度優(yōu)化，因此它能適用于幾乎所有計算場景。ARM針對智能手機的優(yōu)化程度要高于對筆記本電腦、臺式機和服務(wù)器的優(yōu)化程度。正因如此，ARM芯片在移動端領(lǐng)域有著無可撼動的統(tǒng)治力。

總結(jié)

從以上內(nèi)容可以看出，RISC-V與ARM雖然同為RISC精簡指令集，但在指令集特性上各有不同。除了開源與免費，簡單和低開發(fā)門檻也是RISC-V挑戰(zhàn)ARM的殺手锏。

而目前RISC-V和ARM的主要差距體現(xiàn)在上下游產(chǎn)業(yè)生態(tài)和規(guī)?；瘧?yīng)用上，這是擺在RISC-V陣營的玩家們面前最大的挑戰(zhàn)和難題。

參考資料：

ARM vs RISC-V
https://techjourneyman.com/blog/arm-vs-risc-v/

Understanding RISC-V Architecture and Why it could be a Replacement for ARM
https://circuitdigest.com/article/understanding-risc-v-architecture-and-why-it-could-be-a-replacement-for-arm

處理器架構(gòu)、指令集和匯編語言，三者有何關(guān)系？
https://www.zhihu.com/question/23474438

ARM芯片的發(fā)展歷史
https://zhuanlan.zhihu.com/p/370771150

維基百科：Instruction set architecture（ISA）、復雜指令集計算機、精簡指令集計算機
https://en.wikipedia.org/wiki/Instruction_set_architecture
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A4%87%E9%9B%9C%E6%8C%87%E4%BB%A4%E9%9B%86%E9%9B%BB%E8%85%A6
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%B2%BE%E7%AE%80%E6%8C%87%E4%BB%A4%E9%9B%86%E8%AE%A1%E7%AE%97%E6%9C%BA