为什么CPU指令集和微架构是江湖门派标志？

以前的文章说过，芯片的分类方法很多，种类犹如夜空的繁星，多到无法枚举。本文把芯片的范围缩小，聚焦高端通用芯片CPU这一分支，我们会发现CPU芯片的种类也不少，而且“门派”林立，俨然像一个CPU芯片“江湖”，指令集和微架构就是这个江湖中的门派标志。什么是CPU指令集和微架构？为什么指令集和微架构是江湖门派标志？本文试图用通俗的语言加以说明。

CPU是中央处理器（Central Processing Unit）的英文简称，是一种高端通用芯。它在计算机（电脑）和智能设备中用来指挥各个部件协同高效地工作。它是电脑和智能设备的控制中枢，是电脑中的大脑。

电脑的部件需要CPU来指挥，而CPU内的部件也需要受到指挥协调才能工作，这个指挥官就是程序，由程序发出的指挥CPU内部电路协同工作的命令，简称为指令。例如，如果要让CPU完成一次A+B-》C的计算，就要发2条存取指令，从存储器把A和B取出来送到运算器中；再发1条加法指令，让运算器执行加法运算；最后发1条存取指令，把C存入存储器。这个例子中用到了两种指令：存取指令和加法指令。

实际上，一个通用CPU要完成各类计算、推理、判断和控制工作，它的指令种类少则几十种，多则数百种，CPU的各种指令的集合称为CPU的指令集。指令集确定了CPU的工作方式和与之相适应CPU内部的硬件架构，这种硬件架构称为CPU的微架构。指令集和微架构是一个公司研发出新款CPU后形成的核心知识产权。指令集是CPU的顶层设计规范，微架构是这个顶层规范的物理实现，这种实现可以有多种，实现方法可以有变化。一般说的CPU架构就包含了CPU指令集和微架构两个东西。

图1.新的指令集和微架构可以创立一个新的CPU芯片江湖门派

图1描述了指令集、微架构、CPU芯片和芯片用户群之间的关系。可以看到，研发一款新的指令集和微架构，就相当于在CPU芯片江湖中创立了一个门派。具体地讲，A公司开发了一款新的CPU，意味着创建了新的指令集和微架构，不但A公司的CPU芯片形成了用户群A，而且A公司还可以授权其他公司开发CPU芯片，并形成相应的用户群B、C、D等。新的指令集和微架构可以开发一个CPU芯片家族，可以产生一个芯片用户集群，就好像产生了一个江湖门派。指令集和微架构设计得好，CPU的性能就好，用户就多，追捧者就多，门派就兴旺发达。

图2.指令集是连接软件和硬件的纽带

图2表明，指令集是连接软件和硬件的纽带。如论是应用程序还是操作系统中的系统代码，最终都被编译成可以在CPU芯片内部执行的符合指令集规范的机器代码程序。机器代码程序中的指令控制着CPU内部部件协调高效工作，并实现CPU的整体功能，进而由CPU控制整机系统工作。指令集是系统软件和硬件工程师共同遵从的法条，只有遵守了这个法条，软件工程师编写的软件才能在不同型号的整机系统上运行。硬件工程师开发的整机系统才能运行现有的应用软件。

讲了这么多概念，也分析了这些概念的关系，如果还不好理解的话，让我们来看看三个代表性的CPU指令集和微架构的例子吧。第一个是代表单片机或微控制器（MCU）的MCS-51指令集。第二个是代表复杂指令集计算机（CISC）的x86指令集。第三个是代表精简指令集计算机（RISC）的ARM指令集。举例这些指令集和微架构的目的不是为了研究，只是为了展示，目的是使读者对CPU芯片江湖的门派标志——指令集和微架构有个宏观印象。

为什么要把MCU指令集拿来和CPU指令集一同展示？让我们先了解一下MCU、CPU和SoC三者的关系吧。MCU是微控制器（Micro ControllerUnit）的英文简称，是一种中低端的通用芯片，主要用于中小电子产品和系统的控制。SoC是系统级芯片（System on Chip）的英文简称，是一种包含低、中、高端处理功能的面向应用领域的专用芯片。MCU、CPU和SoC难以绝对划界，但是，如果研究了三者的特点后，您就可以对它们进行清晰的区分了。

三者的共同特点：它们都是智能电子产品和系统的控制中枢，都有要遵循的指令集和微架构。三者的差别：MCU一般是4位、8位和16位微架构，工作频率不会太高。控制性任务较多，计算和信息处理性工作较少。与CPU相比，单芯片上集成了一些外部接口和功能部件。CPU一般是16位、32位和64位微架构，工作频率很高，更重视处理速度和运算能力，单芯片上很少集成外部接口和功能部件。SoC更加重视单芯片的系统集成度，各种位宽微架构、工作频率、集成度的SoC都可以有，单芯片上包含多种外部接口和功能部件。

MCU与CPU的区别是处理能力小与大，偏向控制与偏向计算的区别。SoC处理能力可小可大，如果在MCU或者CPU芯片上集成更多的外部接口和功能部件，这个MCU或者CPU芯片就变成了SoC芯片。

一、指令集与微架构的三个代表

基于上述原因，以及ARM CPU通常被嵌入到SoC芯片中，本文选择了MCS-51作为MCU指令集的代表，x86既作为CISC指令集的代表也作为了CPU指令集的代表，ARM既作为RISC指令集的代表也作为了SoC指令集的代表，下文对它们做简要介绍和展示。

1.MCS-51指令集和微架构

MCS-51指令集是Intel公司1980年前后开发的单片机指令集，该指令集包含数据传送、位操作、逻辑运算及转移、算术运算、控制转移5个大类共计111条指令（图3）。该指令集对应的单片机微架构如图4所示。

通过对该微架构硬件的增、减、改变，Intel先后开发了兼容MCS-51指令集的系列单片机芯片，共计16个型号（图3）。另外Intel也向许多公司开放MCS-51指令集和微架构，允许他们生产兼容MCS-51指令集的单片机。这些公司包括ATMEL、PHILIPS、NXP、OKI等，以及日本、台湾和国内的一些公司。因此，MCS-51单片机在全球应用十分普及。MCS-51开辟了一个规模庞大、应用甚广的单片机大家族。

图3.MCS-51单片机指令集（来源：无忧文档）

图4. MCS-51单片机内部的微架构（来源：百度百科）

图5. MCS-51单片机家族（来源：参考资料5）

2. x86指令集和微架构

1978年，Intel公司开发出了16位的CPU，并命名为i8086，同时还开发出与之相配合的数学协处理器i8087，这两种芯片使用相互兼容的指令集，再加上i8087用于对数、指数和三角函数等数学计算的指令集，就形成了今天人们常说的x86指令集。随后的40年间，Intel陆续研制出i80286、i80386、i80486、奔腾（Pentium）系列、酷睿（Core）系列等后续CPU型号。研制这些CPU芯片时，为了保持向前软件兼容，Intel所有CPU继续使用x86指令集，并根据CPU功能提升和性能增强的需要，增加了286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ等扩展类指令。“新三年旧三年，修修补补又三年”，可以说x86指令集是与时俱进，不断生长和变复杂的典范，因而x86指令集成了名副其实的复杂指令集（CISC）。

x86指令集包括数据传送、逻辑运算、移位运算、程序控制、算术运算、串操作、处理器控制、286扩展、386扩展、486扩展、Pentium扩展、Pentium Ⅱ扩展12个大类共计190多条指令（图7）。图8分别是Intel Core和AMD K8的CPU微架构。

Intel和AMD是全球最大的两家x86指令集CPU芯片开发商。Intel多达上百个型号的CPU都属于x86系列。另外，加上AMD多达80多个型号的兼容x86 CPU，x86指令集CPU芯片家族的阵容可谓是十分壮观（图10）。两家公司的CPU芯片不断迭代升级，相互竞争，型号品种繁多，形成了令世人瞩目的CPU产品发展轨迹。

图7. x86 CPU指令集（来源：参考资料1）

图8. x86 CPU的两种微架构举例（来源：参考资料3）

3. ARM指令集和微架构

ARM公司成立于1990年，是全球领先的CPU IP（Intellectual Property）提供商，全世界超过95%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构处理器。ARM公司自己不设计和销售CPU芯片，只向其他公司销售和授权使用ARM架构的系列CPU IP。ARM授权从高到低大体分为三种，包括架构授权、内核授权和使用授权，本文只关心前两种。架构授权对设计团队的要求很高，许可费用也很昂贵，只适合有实力的大公司，中小企业一般选择购买内核授权。

架构授权（也称为指令集授权）是指用户购买了架构级的ARM处理器设计、制造的许可权后，可以从整个指令集和微架构入手，对ARM架构进行改造，甚至可以对ARM指令集进行裁减或扩展，实现更适合自用、更高性能、更低功耗、更低成本的目的。拥有ARM架构授权的公司包括高通、苹果、三星、微软、海思等。

内核授权（也可称为方案授权）是指用户可以将其所购买的ARM核心（IP核）应用到自己设计的芯片中，但用户不得对ARM核心进行修改。拥有内核授权的公司多如牛毛，国际上包括德州仪器、博通、飞思卡尔、富士通以及Calxeda等，国内中小芯片设计公司也很多，不胜枚举。

图10展示了ARM指令集。ARM指令集包括跳转指令、数据处理、乘加指令、PSR访问、加载/存储指令、数据交换、移位指令、协处理器8个大类共计50条指令（其中，ARM指令16条，Thumb指令18条，Thumb-2 16条）。加上15条控制伪指令合计65条指令。图11展示了一款可内核授权的ARM核心微架构，它的型号命名为ARM Cortex A9。

全球1500多家企业获得了ARM公司授权，可以研发和生产ARM架构的处理器芯片和包括含ARM内核的SoC芯片。图12是全球采用ARM架构处理器技术的用户、工具商、合作伙伴的Logo图谱。ARM CPU门派在移动通信领域一家独大，并正在向其它领域渗透，包括物联网、台式电脑、服务器等，让x86 CPU门派老大Intel公司十分不安。

1. MCU类的指令集

MCU作为缩减版的CPU和SoC，它也有指令集和微架构，同样是智能电子产品和系统的控制中心。因此，它可以作为CPU芯片江湖的一员，被写入到这一部分来，让读者看看MCU指令集门派都有哪些种类。

这个门派下的指令集包括：Zilog公司的Z80指令集、Intel的MCS-51指令集、MicroChip的PIC指令集、ATMEL的AVR指令集、TI的MSP430指令集、Motorola的68K、ARM公司的ARM-Thumb等等。

2.CISC类的指令集

CISC类指令集也可称为复杂指令集。CISC是复杂指令集计算机（Complex Instruction SetComputer）的英文缩写。在CISC指令处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度较慢。

这个门派下的指令集包括：Intel的x86指令集（x86、x86-64、IA-32、IA-64等）、AMD的兼容x86指令集（x86、AMD64等）、威盛VIA的兼容x86指令集（x86、AIS等）。

3.RISC类的指令集

RISC类指令集也可称为精简指令集。RISC是精简指令集计算机（Reduced Instruction SetComputing）的英文缩写。它是在CISC指令系统基础上发展起来的，CISC各种指令的使用频度相当悬殊，最常使用的是一些比较简单的指令，它们仅占指令总数的20％，但在程序中出现的频度却占80％。复杂指令系统必然增加微处理器的复杂性，并且指令解码执行过程复杂并且费时，必然会降低计算机的速度。20世纪80年代诞生了RISC型CPU。相对于CISC型CPU，RISC型CPU不仅精简了指令集，还采用了超标量和超流水线结构，大大增加了并行处理能力。RISC指令集是高性能CPU的发展方向。RISC的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。当然处理速度就提高了很多。

这个门派下的指令集包括：DEC公司的Alpha指令集、MIPS公司的MIPS指令集、Sun公司的SPARC指令集、IBM联合Apple与Motorola开发的PowerPC指令集、IBM的POWER服务器CPU 指令集、ARM公司的ARM32和ARM64指令集、开源RISC-V指令集等。

4.EPIC类的指令集

EPIC类指令集也称为精确并行指令集。EPIC是精确并行指令计算机（Explicitly ParallelInstruction Computers）的英文缩写。EPIC是否是RISC和CISC体系的继承者的争论不少，单以EPIC体系来说，它更像Intel的处理器迈向RISC体系的重要步骤。EPIC体系设计的CPU，在相同的主机配置下，处理Windows的应用软件比基于Unix下的应用软件要好很多。

Intel采用EPIC技术的服务器CPU是安腾Itanium（开发代号Merced）。它是64位处理器，也是IA－64系列中的第一款。

图13. 全球流行的CPU指令集的分类

三、实现CPU自主可控的梦想

发展自主可控的国产CPU，首先要解决指令集和微架构的自主可控问题，其次是软件生态和生产的问题。图14列出了目前主要的国产CPU指令集及技术来源，这是我们发展自主可控国产CPU的基础，这些资源已得到业界的高度重视。希望政府能顶层规划和统一协调，加大资金支持力度，在业界共同努力下实现国产CPU自主可控的梦想。

图14.主要的国产CPU指令集及技术来源（来源：由参考资料9整理）

如何实现我国CPU芯片自主可控，公认途径归纳起来有以下几个方面，一是购买流行CPU架构授权，开发国产CPU产品；二是用好开源CPU指令集RISC-V，走国产CPU自强之路。三是用好已有可控CPU架构，加大投入和研发力度，补齐国产CPU短板。四是创立新的CPU架构，走自力更生的国产CPU发展之路。发展国产CPU，实现安全、自主和可控是最终目的，方法可以多样化，不一定什么都要靠自己从零做起，即未必一定要创立新CPU门派。

1.购买流行CPU架构授权，开发国产CPU产品。

目前，国内大部分国产MCU、CPU和SoC芯片研发都是走这个途径。之前这条路子走的很顺利，国内芯片设计销售额多年实现两位数增长，2020年有望超过3800亿元。大部分公司都以购买授权方式，在自研CPU芯片中采用国外流行的CPU架构，包括华为海思自研的多款SoC芯片，都是基于ARM架构的CPU。中美科技战以来，大家发现这是一种自主但不可控的CPU发展之路。

2.用好开源CPU指令集RISC-V，走国产CPU自强之路。

美国对我国芯片产业的打压和围堵，让业界把发展自主可控国产CPU的希望寄托在了开源指令集RISC-V上来，这可能是目前希望最大的一条途径。原因是RISC-V架构已比较成熟，性能也比较优异，已经过许多商业化应用验证。并且国内已具有一定的人才和技术积累。人们认为RISC-V最有希望改变当前由ARM和x86主导CPU芯片江湖的局面，它将对ARM在消费类、IoT等嵌入式CPU市场的优势地位造成巨大冲击。RISC-V是国产自主可控CPU的曙光。RISC-V目前的唯一短板还是软件生态不够完善，需要业界同仁奋发努力。

3.用好已有可控CPU架构，加大投入和研发力度，补齐国产CPU短板。

国内有些公司多年前陆续继承了一些国外老旧CPU架构的产权，有些公司也获得了国外较成熟CPU架构永久授权，也有些公司自创了CPU和GPU架构。例如阿里平头哥（收购中天微）、苏州国芯、中晟宏芯、深圳中微电等。华为海思也获得了ARM v8架构的永久授权，这些都是开发自主可控国产CPU的良好基础。建议政府和企业加大投入和研发力度，在这些CPU架构基础上创新发展，不断完善软件生态，抓住补短板和国产替代的良机，实现国产CPU产品的迭代升级和技术进步。

4.创立新的CPU架构，走自力更生的国产CPU发展之路。

这就相当于要设计一款新的CPU，建立新的CPU指令集和微架构。这是一条最困难的途径。最困难体现两方面，一是设计的新款CPU能否具备性能和功能的先进性、高效性和经济性；二是如何能快速搭建好新款CPU的软件生态，包括汇编和高级语言编程工具、系统开发验证工具等。软件生态建设需要时间，需要市场，也需要研发团队和用户的通力协作。而且，创立一个CPU行业门派后，要让这个门派发扬光大并不是一件容易的事情。因此，许多人对这条途径不太看好。

结语：1.指令集是软件和硬件的纽带，电子产品中的软件不论是高级语言还是汇编，最后都是转换为一条条的指令，指挥硬件各部件协调工作，硬件是为完成指令的任务而生的。2.指令集是软件和硬件工程师共同遵从的法条，只有遵守了这个法条，开发的软件才能在不同型号的硬件上兼容运行。3.指令集是CPU芯片江湖门派的标志，公司名和产品名不过是它的代名词罢了。只有指令集相同，产品才能兼容互换。只有大家都认可这个指令集，都愿意投入到这个门派之下，不断完善软件生态，才能使用户越来越多，门派越来越兴旺。4.发展自主可控的国产CPU，最困难的是搭建CPU的软件生态。如果把CPU指令集看作门派标志的话，搭建软件生态就是营造门派氛围，扩大门派影响力。

原文标题：【芯论语】科普：指令集——CPU芯片江湖中的门派标志

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责任编辑：haq