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不是一本武功秘籍,指令集

来源:整理 时间:2022-04-07 17:00:55 编辑:华为40 手机版

IP、芯片构架、指令集是什么?有什么联系?

IP、芯片构架、指令集是什么有什么联系

IP是Intellectual Property(知识产权)的缩写,它是一个很大的概念,包括内容IP(比如小说、电影、游戏的内容、人物形象和标识等)、品牌IP(漫画改编的电影《十万个冷笑话》,海外作品改编和翻拍,如翻拍《奇怪的她》的《重返20岁》)等。下图中的紫薯大叔形象也是一种IP。IP是可以深度挖掘开发,并变现成现金的。

这方面,腾讯有话说,因为它在国内做得最好,把明星IP生生地变成摇钱树树或印钞机。在芯片设计领域,IP的内涵也是相当宽泛的,包括架构、指令集、芯片内部电路设计等,都属于IP,受到知识产权法律保护。一句话,只要是芯片公司独立开发的东西,不管是芯片内核还是制程工艺,申请了专利,都属于IP。那么题主说的架构和指令集又是什么关系呢?CPU的算术逻辑单元(ALU)在进行计算操作时,需要将计算分解为许多小的步骤,每一个步骤要用到一行执行语句,这个执行语句就是指令,诸多指令的集合就是指令集。

打个形象的比方,指令集相当于电脑能说能读的语言,和人类社会中的英语、汉语、法语等语言类似,特定的语言为特定的人群使用。同样地,特定的指令集为特定的CPU使用,X86芯片的指令集属于CISC体系,ARM的芯片则属于RISC体系。正因为指令集和CPU如此亲近的关系,所以指令集手册都是用汇编语言写成。架构则涵义宽泛,当说体系架构时,实际说的是指令集体系,当说微架构时,指的又是CPU内部的结构,包括缓存大小、单元设计等。

其实,只要稍微关注芯片产业的发展历史,就会发现一个规律,芯片架构几乎两三年更新一次,而且一个架构可以延伸出多个产品,但指令集却多年不变。英特尔的Sunny Cove架构涵盖了第10代处理器,包括酷睿i3、i5、i7三大系列,数十款产品,但指令集和前几代架构相比,基本未变,仅增加了一套全新的支持深度学习加速技术的指令集。

为什么我国自主设计的CPU基本上都是精简指令集,复杂指令集是要过时了吗?

为什么我国自主设计的CPU基本上都是精简指令集,复杂指令集是要过时了吗

精简指令集(RISC)的代表ARM确实占领了手机等移动市场,但没必要把它捧上天,复杂指令集(CISC)的代表英特尔和AMD的CPU也并非一无是处,仅在性能和兼容性上的两大优势,就是ARM的处理器无法替代的。所以现在断言复杂指令集(CISC)过时,有点言之过早。打个比方,复杂指令集(CISC)的代表英特尔处理器相当于三国演义中的曹操,占据最有利的地形,兵强马壮(PC领域和服务器领域绝对的王者);精简指令集(RISC)的代表ARM处理器相当于东吴,实力也不弱,曾击退曹操百万大军(在移动领域打败英特尔);而精简指令集(RISC)阵营的另一代表是MIPS处理器,相当于蜀汉。

三者关系详见下图:“曹操”英特尔能混到今天的地位,靠的是什么?靠的是强大的性能和良好的兼容性。先说性能。没错,复杂指令集(CISC)的缺点是指令集臃肿,但这个缺点也是它的优点,因为指令多意味着能完成的功能也多,性能也强大。英特尔处理器近几年增加了几百条MMX、SSE指令,提高了执行多媒体程序和其它特殊程序的性能,所以成为工作站、服务器、游戏机等高性能CPU的绝对首选。

在这些对计算性能要求高的场所,打酱油都是同为复杂指令集(CISC)的AMD处理器(服务器市场份额为5%),ARM的份额基本等于零。此外,英特尔处理器在1995年让复杂指令集(CISC)这棵老树发出了新芽,发布的Pentium Pro处理器采用著名的P6微架构,成为教科书式的一代经典。其经典之处在于,X86指令集(属于CISC)先解码成类似精简指令集(RISC)的微操作(microoperations),然后采用RISC内核执行。

这句话读起来太专业晦涩?不要紧,记住这句话就行:现在的英特尔处理器,相当于用复杂指令集(CISC)这张饺子皮,包着精简指令集(RISC)的馅儿。P6架构虽然复杂,但提升了性能,不仅让复杂指令集(CISC)这颗老树成功发芽,还开花结果,越来越繁盛,20多年来不仅统治PC市场,还在服务器领域将精简指令集(RISC)CPU碾成渣渣,逼得其代表ARM只能向低功耗和嵌入式方向发展,最后遇上手机崛起,才由衰转盛,和霉运说拜拜。

和英特尔硬抗到底、不愿撤退的Power处理器,现在坟头树已经有合抱粗了。精简指令集(RISC)CPU败给英特尔,主要就栽在了兼容这道坎上。IBM最先提出RISC思想,开发的Power处理器性能强过CISC指令集的老大英特尔处理器,还拉来苹果、摩托罗拉、SUN公司、微软等成立软硬件联盟,但最终结果是,英特尔凭借良好的兼容性,打败了Power处理器,苹果也转投英特尔怀抱。

这就是兼容的威力。性能和兼容是两大指令集交锋的重点,其中兼容又是决定性因素,因为它牵涉到生态问题。现在CISC指令集CPU主要集中在PC和服务器领域,RISC指令集CPU主要占据移动和嵌入式设备,井水不犯河水,就是因为两大阵营都建立了各自强大的生态系统,想犯也没有用。至于以后,RISC指令集中的ARM处理器是否会一统天下,CISC指令集中的英特尔处理器是否会因此被淘汰,这个谁也不好说,但在可见的未来,两大指令集系统还是会保持互不侵犯的状态。

文章TAG:指令集秘籍武功一本

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