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1.1.4 ISA众生相

《手把手教你设计CPU——RISC-V处理器篇》第1章一文读懂CPU之三生三世,本章通过几个轻松的话题,讨论一下CPU业界的“三生三世”。本节为大家介绍ISA众生相。

作者:胡振波来源:人民邮电出版社|2018-05-23 11:06

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1.1.4 ISA众生相

第1.1.1节中提到,经过几十年的发展,全世界范围内至今已经相继诞生或消亡过了几十种不同的指令集架构。下面将针对几款比较知名的指令集架构加以论述。

注意:下列章节中列举的信息来自于本书成书时的公开信息,非官方正式信息,请读者以最新官方信息为准。

1.x86

x86是由Intel公司推出的一种复杂指令集(CISC),于1978年推出的Intel 8086处理器中首度出现,如图1-3所示。8086在3年后为IBM所选用,之后Intel与微软公司结成了所谓的Windows-Intel(Wintel)商业联盟,垄断了个人计算机(Personal Computer,PC)软硬件平台至今几十年而获得了丰厚的利润。x86架构也因此几乎成为了个人计算机的标准处理器架构,而Intel的广告标志更是深入人心,如图1-4所示。

除Intel之外最成功的制造商之一为AMD。Intel与AMD公司是现今主要的x86处理器芯片提供商。其他若干几个公司也曾经制造过x86架构的处理器,包括Cyrix(为VIA所收购)、NEC、IBM、IDT以及Transmeta。

x86架构由Intel与AMD共同经过数代的发展,相继从最初的16位架构发展到如今的64位架构。在x86架构刚诞生的时代,CISC还是业界主流,因此,x86架构是具有代表性的可变指令长度的CISC指令架构。虽然之后RISC已经取代CISC成为现代指令集架构的主流,但是,由于Intel公司的巨大成功以及为了维护软件的向后兼容性,x86作为一种CISC架构被一直保留下来。事实上,Intel公司通过内部“微码化”的方法克服掉了CISC架构的部分缺点,加上Intel高超的CPU设计水平与工艺制造水平,使得x86处理器一直保持着旺盛的战斗力,不断刷新个人计算机处理器芯片性能的极限。所谓“微码化”是指将复杂的CISC指令先用硬件解码器翻译成对应的内部简单指令(微码)序列,然后送给处理器流水线执行的方法,使得x86的处理器核也变成了一种RISC的形式,从而能够借鉴RISC架构的优点。不过,额外的硬件解码器同样也会带来额外的复杂度与面积开销,这是x86架构作为一种CISC架构不得不付出的代价。

x86架构不仅在个人计算机领域取得了统治性的地位,还在服务器市场取得了巨大成功。相比x86架构,IBM的Power架构和Sun的SPARC架构都曾有着很明显的性能优势,也曾占据着相当可观的服务器市场。但是Intel采用仅提供处理器芯片而不直接生产服务器的策略,利用广大的第三方服务器生产商,结合Wintel的强大软硬件联盟,成功地将从处理器芯片到服务器系统一手包办的IBM与Sun公司击败。至今x86架构占据了超过90%的服务器市场。

2.SPARC

1985年,Sun公司设计出SPARC指令集架构,全称为“可扩充处理器架构(Scalable Processor ARChitecture,SPARC)”,是一种非常有代表性的高性能RISC架构。之后,Sun公司和TI公司合作开发了基于该架构的处理器芯片。SPARC处理器为Sun公司赢得了当时高端处理器市场的领先地位。1995年,Sun公司推出了UltraSPARC处理器,开始进入64位架构。SPARC架构设计的出发点是服务于工作站,它被应用在Sun、富士通等制造的大型服务器上,如图1-5所示。1989年SPARC还作为独立的公司而成立,其目的是向外界推广SPARC,以及为该架构进行兼容性测试。Oracle收购Sun公司之后,SPARC架构归Oracle所有。

由于SPARC架构是面向服务器领域而设计的,其最大的特点是拥有一个大型的寄存器窗口,SPARC架构的处理器需要实现从72到640个之多的通用寄存器,每个寄存器宽度为64位,组成一系列的寄存器组,称为寄存器窗口。这种寄存器窗口的架构由于可以切换不同的寄存器组快速地响应函数调用与返回,因此能够带来非常高的性能,但是这种架构由于功耗面积代价太大而并不适用于PC与嵌入式领域处理器。

前面提到了Sun公司在服务器领域与Intel竞争逐渐落败,因此,SPARC架构在服务器领域的份额也逐步地缩减。而SPARC架构又不适用于PC与嵌入式领域,使得其局面十分尴尬。

SPARC架构应用的另外一个比较知名的领域是航天领域。由于美国的航天星载系统中普遍使用的Power架构(有关Power架构参见本书后面关于Power的介绍),欧洲太空局为了独立发展自己的航天能力而选择了开发基于SPARC架构的LEON处理器,并对其进行了抗辐射加固设计,使之能够应用于航天环境中。

值得强调的是,欧洲太空局选择在航天领域使用SPARC架构并不代表SPARC架构特别适用于航天领域,而是因为SPARC在当时是一种相对开放的架构。SPARC架构也更罔谈垄断或占据航天领域的优势地位,因为从本质上来讲,航天领域处理器对于指令集架构本身并无特殊要求,其需求的主要特性是提供工艺上的加固单元和硬件系统的容错性处理(为了防止外太空强辐射造成电路失常)。因此,很多的航天处理器也采用了其他的处理器架构,譬如目前新开发的很多航天处理器也在使用新的ARM或者RISC-V架构(有关RISC-V架构参见第1.5节)。

2017年9月,Oracle公司宣布正式放弃硬件业务,自然也包括了收购自Sun的SPARC处理器,至此,SPARC处理器可以说正式退出了历史舞台。此消息一经发出,引起了很多业内人士的惋惜,感兴趣的读者请在网络上自行搜索文章《再见SPARC处理器,再见Sun》。

3.MIPS

MIPS(Microprocessor without Interlocked Piped Stages Architecture)亦为Millions of Instructions Per Second的相关语,是一种简洁、优化的RISC架构。MIPS可以说是身出名门,由斯坦福大学的Hennessy教授(计算机体系结构领域泰斗之一)领导的研究小组研制开发。

由于MIPS是经典的RISC架构,因此是如今除了ARM之外被人耳熟能详的RISC架构。最早的MIPS架构是32位,最新的版本已有64位。

自从1981年由MIPS科技公司开发并授权后,MIPS架构曾经作为最受欢迎RISC架构被广泛应用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。它曾经在嵌入式设备与消费领域里占据很大的份额,如SONY、Nintendo的游戏机、Cisco的路由器和SGI超级计算机都有MIPS的身影。

但是由于一些商业运作的原因,MIPS被同属RISC阵营的ARM后来居上。2013年MIPS被英国公司Imagination Technologies收购,可惜的是,MIPS被Imagination收购后,非但没有发展,反而日渐衰落。2017年Imagination自身出现危机而整体寻求出售,MIPS再次面临被出售的命运。

4.Power

Power架构是IBM开发的一种RISC架构指令集。1980年IBM推出了全球第一台基于RISC架构的原型机,证明RISC相比CISC在高性能领域优势明显。1994年IBM基于此推出PowerPC604处理器,其强大的性能在当时处于全球领先地位。

基于Power架构的IBM Power服务器系统在可靠性、可用性和可维护性等方面表现出色,使得 IBM从芯片到系统所设计的整机方案有着独有的优势。Power架构的处理器在超算、银行金融、大型企业的高端服务器等多个方面应用十分成功。IBM至今仍在不断开发新的Power架构处理器:

2013年,IBM宣布了新一代服务器处理器Power8。Power8的核心数量达12个,而且每个核心都支持8线程,总线程多达96个。它采用了8派发、10发射、16级流水线的设计,各项规格均强大得令人惊叹。

2016年IBM公司公布了其Power9处理器,IBM于2017年推出Power9拥有24个计算核心,是Power8芯片的两倍。

IBM计划在2020年推出Power10,2023年推出Power11处理器。

5.Alpha

Alpha也称为 Alpha AXP,是一种64位的RISC指令集架构,由DEC公司设计开发,被用于DEC自己的工作站和服务器中。

Alpha是一款优秀的处理器,它不仅是最早跨过GHz的企业级处理器,而且还是最早计划采用双核,甚至是多核架构的处理器。然而,Alpha芯片和采用此芯片的服务器并没有得到整个市场的认同,只有少数人选择了Alpha服务器。据称其价格高昂、安装复杂,部署实施远远超过一般企业IT管理人员所能承受的难度。2001年,康柏收购DEC之后,逐步将其全部64位服务器系列产品转移到Intel的安腾处理器架构之上。2004年,惠普收购康柏,从此Alpha架构逐渐淡出了人们的视野。

6.ARM

由于ARM架构过于声名显赫,后续会有专门的小节重点论述ARM,在此不单独论述。

7.ARC

ARC架构处理器是Synopsys公司推出的32位RISC结构微处理器系列IP。ARC处理器的IP产品线覆盖了从低端到高端各个领域的嵌入式处理器,如图1-6所示。

ARC架构处理器以极高的能效比见长,出色的硬件微架构使得ARC处理器的各项指标均令人印象深刻。ARC处理器IP以追求功耗效率比(DMIPS/mW)和面积效率比(DMIPS/mm2)最优化为目标,以满足嵌入式市场对微处理器产品日益提高的效能要求。

ARC处理器的另外一个最大的特点是其高度可配置性,可通过增加或删除功能模块,满足不同的应用需求,通过配置不同属性实现快速系统集成,做到“量体裁衣”。

ARC是除了ARM之外的全球第二大嵌入式处理器IP供应商,全球已有超过170家客户使用Synopsys ARC处理器,这些客户每年总共产出高达15亿块基于ARC的芯片。

8.Andes

Andes架构处理器是中国台湾省的晶心(Andes)公司推出的一系列32位RISC架构处理器IP。据2016年的统计数字,采用Andes指令集架构的系统芯片出货量超过4.3亿颗,总累计出货量超过19亿颗。2017年,Andes发布最新一代的AndeStar?处理器架构,成为商用主流CPU IP公司中第一家纳入开放RISC-V 指令集架构的公司。

9.C-Sky

C-SKY架构处理器是由杭州中天微系统有限公司开发的一系列32位高性能低功耗嵌入式处理器IP。杭州中天是国内CPU IP公司的翘楚,C-SKY系列嵌入式CPU核,具有低功耗、高性能、高代码密度、易使用等特点。


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