了解芯片的四大主流架构

四大主流芯片架构，犹如科技领域的四大支柱，各自矗立于技术创新的巅峰。这四大架构——X86、ARM、RISC-V与MIPS，不仅是芯片设计的基石，更是推动信息技术进步的强大动力。

一、芯片架构是什么？

芯片架构是指对芯片的类别和属性的描述。架构一词还和语境有关，提到soc时，一般指嵌入式处理核心的类型。提到X86和ARM时，指的是指令集。

二、架构对芯片有什么作用？

芯片架构是芯片设计中的核心环节，对芯片的重要影响有：

1、芯片架构的设计直接决定了芯片能够执行什么样的功能、处理速度和效率；

2、不同的芯片架构在实现相同功能时，所需要的硬件复杂程度、制造成本、功耗等方面都有所不同；

3、芯片架构的设计也决定了芯片与外部组件之间的连接方式，包括通信接口、数据传输速度等。

三、主流的芯片架构有哪些？

目前，全球主流的芯片架构类型包括ARM架构、X86架构、MIPS架构、RISC-V架构。这些架构在性能、功耗、智能化等方面各有优势和特色，为各种应用场景提供了广阔的选择空间。

主流架构1：ARM架构

ARM架构
ARM架构是一个32位精简指令集处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。

如今，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，从可携式装置到电脑外设甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有它的存在。

其架构图如下：

架构优势

①体积小、低功耗、低成本、高性能——主要应用于嵌入式系统设计领域，尤其适合移动通讯领域的需求。ARM被广泛应用在嵌入式系统中的最重要的原因：支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；
②大量使用寄存器，指令执行速度更快；

③寻址方式灵活简单，执行效率高；

④Load_store结构：在RISC中，所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成。而在RSIC中，CPU是可以直接对内存进行操作的。

主流架构2：X86架构

二、X86架构
X86是微处理器执行的计算机语言指令集，指一个Intel通用计算机系列的标准编号缩写，也标识一套通用的计算机指令集合。1978年6月8日，Intel发布了新款16位微处理器8086，也同时开创了一个新时代：X86架构诞生了。

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。

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。其PC架构如下图所示：

架构优势

①兼容性强：X86架构的兼容性极强，几乎所有基于X86架构的电脑都可以运行同样的指令，这使得X86架构的电脑在软件兼容性方面具有优势。

②性能稳定：X86架构的电脑在运行速度和稳定性方面表现较好，能够满足大部分用户的需求。

③广泛支持：X86架构的电脑得到了众多软件开发商的支持，拥有大量的软件资源，用户可以轻松找到适合自己需求的软件。

④成熟的生态系统：X86架构的电脑拥有成熟的生态系统，包括操作系统、应用软件、硬件驱动等，为用户提供了全方位的支持和服务。

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主流架构3：MIPS架构

三、MIPS架构是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构，1981年出现，由MIPS科技公司开发并授权，它是基于一种固定长度的定期编码指令集，并采用导入/存储（Load/Store）数据模型。经改进，这种架构可支持高级语言的优化执行。其算术和逻辑运算采用三个操作数的形式，允许编译器优化复杂的表达式。

架构优势

①支持64bit指令和操作

②有专门的除法器，可以执行除法指令

③MIPS的内核寄存器更多，功耗更低，更灵活

主流架构4：RISC-V架构

四、RISC-V架构是基于精简指令集计算（RISC）原理建立的开放指令集架构（ISA），RISC-V是在指令集不断发展和成熟的基础上建立的全新指令。RISC-V指令集完全开源，设计简单，易于移植Unix系统，模块化设计，完整工具链，同时有大量的开源实现和流片案例，得到很多芯片公司的认可。
RISC-V架构的起步相对较晚，但发展很快。可以根据具体场景选择适合指令集的指令集架构。基于RISC-V指令集架构可以设计服务器CPU，家用电器CPU，工控CPU和用在比指头小的传感器中的CPU。

架构优势

①开放性强：RISC-V是一个开放标准，任何人都可以自由使用和实现它，这使得RISC-V在开发者之间具有很高的互操作性，有助于推动计算机技术的发展。

②高度简洁和灵活：RISC-V指令集非常简洁，具有高度的可编程性和灵活性，这使得它容易学习、理解和实现。

③可扩展性强：RISC-V的指令集具有可扩展性，可以通过添加新的扩展指令集，从而实现更多的功能和性能提升。

④应用范围广：RISC-V适用于各种硬件和软件场景，有大量的开源实现和流片案例，得到了广泛的支持和应用。

这四大主流芯片架构，各有千秋、相辅相成，共同构成了当今信息技术世界的多彩画卷。它们不仅推动了芯片技术的不断进步，更为人类社会的数字化转型提供了坚实的支撑。

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