主流X86-ARM-RISC-V-MIPS芯片架构分析

主流X86-ARM-RISC-V-MIPS芯片架构分析
参考文献链接
https://mp.weixin.qq.com/s/RarwxpkLWF9g48CdGVKYEQ
https://mp.weixin.qq.com/s/ypwG1TMCbC-TWvIYqreGPQ
https://mp.weixin.qq.com/s/MUmb5oTtfUKI-W67qEdn1g
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主流的芯片架构 X86、ARM、RISC-V和MIPS
目前市场上主流的芯片架构有 X86、ARM、RISC-V和MIPS四种，每一种架构都有自己的优势和主要应用场景。
主流芯片架构
分别介绍
X86 英特尔和AMD在PC市场上主导多年
ARM 在移动和便捷设备上有明显优势MIPS 在网关、机顶盒市场上很受cq欢迎RISC-V 出现晚发展快，在智能穿戴产品应用广泛

手机几乎全部使用了ARM架构，采用了RISC指令集（精简指令集），ARM的优势在于低功耗，因此非常适合手机等终端使用，x86架构的处理器无法解决低功耗的问题，所以移动终端很少使用x86架构的处理器。
华为麒麟处理器、苹果的A系列处理器、高通骁龙处理器无一例外的采用了ARM架构，此外大部分的工控系统、智能家居的控制系统、家庭的机顶盒等也采用了ARM架构。随着美国“禁售令”的影响，ARM中断了与华为的业务往来，ARM这家公司走进了人们的视野，ARM公司成立于1991年，是一家英国的公司，后来被日本软银收购。ARM公司只出售IP（技术知识产权），不设计和制造自己的芯片，位于ARM架构的最顶端。如果ARM不再给华为授权，那么华为的麒麟处理器、凌霄处理器等均会受到一定的影响，无法使用最新的架构。
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，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存在。
ARM和X86架构最显著的差别是使用的指令集不同。

MIPS架构同样是一种RISC（精简指令集）的处理器架构，1981年由MIPS科技公司开发并授权，广泛用于电子产品、网络设备、个人娱乐设备等。比如家庭使用的无线路由器如果是MTK芯片，那么大部分是MIPS架构的处理器。
这里说一下自主的“龙芯”处理器，中科院计算所购买了MIPS的永久性结构授权，兼容MIPS架构的处理器，也就是可以贴上“兼容MIPS指令集”的商标，所有核心的架构都是自己研发的。
MIPS架构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。
如今基于该架构的芯片广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。

1、X86架构
X86架构在1978年由英特尔最早发布，并成为了业界标准，目前主要应用在PC、服务器、超级计算机等，代表厂商有英特尔和AMD。
国产CPU中，天津海光、上海兆芯、澜起津逮（澜起科技）采用X86架构，此外浪潮信息、紫光股份是X86服务器领军厂商。
2、MIPS架构
MIPS架构主要应用在网关、机顶盒等。国内龙芯中科早期购买了MIPS架构，然后在此基础之上研发了自己的指令集LoongISA，因此严格来说并不算100%自研，但是对中国集成电路产业而言是一个历史性突破，届时将成为首款全自主指令集的国产CPU。
3、ARM架构
ARM架构由英国ARM公司开发，目前全球95%的智能手机、平板电脑芯片都采用ARM架构。
经过各大芯片厂商持续应用开发，现已广泛应用于无线通讯设备、网络设备、消费电子、服务器等领域。
苹果公司在2020年11月发布了首款基于ARM架构的M1芯片并应用于MacBook上。
采用ARM架构设计的国产CPU主要有天津飞腾和华为鲲鹏。发布于2019年1月的鲲鹏920是业界性能最好的基于ARM架构的CPU，也是目前唯一7nm制程国产CPU。
4、RISC-V架构
RISC-V发布于2014年，具备完全开源、架构精简、易于移植、低成本等特性，在物联网时代具有重大发展潜力，未来有望成为和X86、ARM比肩的重要架构，主要应用在可穿戴设备、服务器、家用电器、工控等领域。

全球范围内RISC-V阵营正在快速壮大。
全志科技推出全球首颗量产的搭载阿里平头哥玄铁906 RISC-V的应用处理器，兆易创新全球第一个推出基于RISC-V内核的MCU，北京君正已展开RISC-V CPU的研发工作。5月24日，华为海思为鸿蒙OS推出了一款名为Hi3861开发板，从其开发环境介绍中可知这或许是华为首款基于RISC-V架构的芯片。
芯片架构基础
随着计算机的普及，如芯片架构、内存外存等。此时就会想架构是什么构不同区别在哪内存为何还需要外存/p>

芯片架构是什么br> 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。
02
架构对芯片的作用br> CPU是一个解释器，架构是算法，寄存器转换级电路（RTL）是算法的实现。更好的架构就是更好的算法。
03
主流的芯片架构有哪些br> 主流的芯片架构有arm、X86、mips等
04
arm架构简介
Arm是高级精简指令集的简称，是一个32位的精简指令集处理器架构。其架构图如下：

结构说明：
CPU：大家都不陌生的名词，中央处理器，计算机的核心大脑。
北桥（North Bridge Chipset）：北桥是电脑主板上的一块芯片，位于CPU插座边，起连接作用。
南桥芯片（South Bridge）：是主板芯片组的重要组成部分，一般位于主板上离CPU插槽较远的下方，PCI插槽的附近，这种布局是考虑到所连接的I/O总线较多，离处理器远一点有利于布线。
内存：是计算机中重要的部件之一，是与CPU进行沟通的桥梁。计算机中所有程序的运行都是在内存中进行的，因此内存的性能对计算机的影响非常大。
显卡（Video card，Graphics card）：全称显示接口卡，又称显示适配器，是计算机最基本配置、最重要的配件之一。
网卡：是工作在链路层的网络组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、介质访问控制、数据的编码与解码以及数据缓存的功能等。
声卡：基本功能是把来自话筒、磁带、光盘的原始声音信号加以转换，输出到耳机、扬声器、扩音机、录音机等声响设备，或通过音乐设备数字接口（MIDI）使乐器发出美妙的声音。
SATA（Serial Advanced Technology Attachment，串行高级技术附件）：是一种基于行业标准的串行硬件驱动器接口，是由Intel、IBM、Dell、APT、Maxtor和Seagate公司共同提出的硬盘接口规范。
硬盘：是电脑主要的存储媒介之一，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。碟片外覆盖有铁磁性材料。
06
mips架构简介
是一种采取精简指令集（RISC）的处理器架构,其特点为：
（1）包含大量的寄存器、指令数和字符。
（2）可视的管道延时时隙。

07
三种架构优缺点对比

芯片运行 架构先行
提到中国芯崛起最需要攻克的技术，相信很多人第一时间想到的就是光刻机。对芯片稍微了解多一点的朋友可能会说，还有芯片设计软件！但很多人不知道的是，除了这些以外，中国芯想要摆脱垄断，最核心的技术其实是芯片架构！所谓芯片架构，其实就是芯片用来运行和控制系统的一套管理流程！众所周知，芯片是整个计算机系统的心脏和大脑，任何程序都需要通过芯片来进行运行！而计算机程序在运行时，需要将需求编译成一条条指令，才能让芯片识别并控制系统进行运转！对于这个概念，大东可以做个简单的比喻！假如把一颗芯片比作一个国家的中央机构，那么芯片架构，就是用来管理这个机构的具体制度！这个制度不仅决定了上下级之间的信息如何流通，还要负责协调不同部门之间的工作！以举办一场全国篮球赛为例，这个过程从上层通过到基层执行。需要将这个信息编译成通知逐层下达。同时场地、人员、时间安排等多个部门之间还要进行协调运转。

麒麟9000系列芯片最令人担心的是，现如今伴随着美国英伟达收购ARM公司的事件愈演愈烈。一旦尘埃落定，ARM被“冠以美姓”，那么未来华为还能否获得架构的授权都尚未可知！这种不确定的局势，显然不是中国芯片产业所能接受的。但幸运的是，一种新型架构技术路线的崛起，又给中国芯片产业带来了曙光！就是RISC-V架构！相比于X86和ARM几十年的历史而言，RISC-V架构的兴起史实在太偶然也太年轻！2010年时，伯克利大学并行计算实验室的1位教授和2个研究生正在开展一个计算机项目。然而面对X86和ARM高昂的授权费用和复杂的架构原理，最终决定自己开发一个更为简单开放的指令集架构！

三位创始人2015年，三位大佬联合创立了一家名为SiFive的半导体公司，主要方向就是开发基于RISC-V架构的芯片，来推动该技术的商业化。同时在三人的主导下，RISC-V基金会也正式成立，用来维护指令集架构的完整和规范化！但是该基金会和公司却没有将RISC-V架构私有化，反而签订了BSD授权条款，将其完全开源。也就是说，全球的任何组织和商业机构都可以对该架构进行开发使用。而不必受到任何限制。甚至基于该架构核心来开发，商用闭源收费版本都可以。而在这种模式之下，RISC-V架构迅速成为了全球最知名的自由软件之一。当然说到这很多朋友可能会想，这种免费的技术真的有优势吗br>

也正是基于这些优点，因此倪光南院士才会将其视为中国芯片崛起的希望。开源的技术，意味着可以让中国的芯片产业，完全绕开美国的专利管制。即使未来中国芯真的将RISC-V架构做大做强，能够和X86以及ARM同台竞技，也不必担心发生断供或者制裁！超强的可塑性，则代表着中国的芯片企业，可以完全根据自己的需求进行开发完善。不必拘泥于一个框架，然后在一个领域内死磕！当然，除了这些以外，RISC-V架构还有一个最大的优点，那就是年轻。短短10年的发展历史，意味着中国和西方并没有拉开差距。也就是说，与是在同一个起跑线上的。不用担心用生态链垄断市场，也不必担心用专利限制发展。而这些因素，在此前却是中国芯片崛起的最大障碍。英特尔和微软用X86架构和Windows系统，联手打造出了一个Wintel生态联盟。直接垄断了PC端20多年。不仅让中国芯片难以打入市场，在系统桌面领域更是一度艰难求生！而在芯片架构方面的专利技术，更是让远在英国的ARM公司，想要进行授权都要看美国的脸色！不过幸运的是，伴随着RISC-V架构技术的发展，在未来这些可能都会成为历史！
构架迭代 中国争先
现如今，中国在RISC-V架构阵营中已经夺得了主导权。国际RISC-V基金会的18个理事会成员，中国企业已经夺得一半席位！与此同时，国内也已经成立了RISC-V产业联盟和开放指令生态系统联盟。像华为海思、阿里平头哥，中科院计算所等众多科技公司也纷纷投入RISC-V架构的怀抱。

华为海思RISC-V 架构芯片当然，现如今看重RISC-V架构的也并非只有中国，像亚马逊、三星等科技巨头也开始涉足RISC-V路线，甚至连苹果都开始面向社会招揽RISC-V架构开发人才。其领域内的竞争正在不断加剧。而中国如果想将RISC-V架构变成由自己主导的技术路线，那要做的还有很多！从软件生态到操作系统再到市场反馈，中国的科技企业必须要拧成一股绳，然后打造出一个完整的芯片架构生态。当然这个过程会很漫长，可能需要十几年甚至几十年。但是大东要说的是，即使再艰难，也要坚持下去。因为这是中国芯片产业的背水一战，只有抓住这个机会，才能有底气的说“中国芯无惧制裁”！
第三种芯片架构
传统的芯片架构包括：X86和ARM，两者的区别是分别属于“复杂指令集”与“精简指令集”。Intel和ARM处理器，前者使用复杂指令集（CISC)，而后者使用精简指令集（RISC）。
第三种芯片架构：RISC-V架构是基于“精简指令集”（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。

面向另外两大主流架构，跃昉科技的应对和思考。
图源：公司提供
基于产品策略，跃昉科技打造了“三横一纵一平台”的技术体系。“三横”就是在工业物联网的框架下，从端侧到边缘到微边缘，分别定义三个不同的芯片产品体系，分别解决端侧基础的控制和链接，以及边缘和微边缘侧的边缘计算和智能应用等问题。同时还针对部分系列做了包括安全、区块链等差异化特性，并申请了专利。
由此，跃昉科技在车联网市场关注到智能交通的场景应用。“有别于传统智能驾驶从单点上考虑出行的智能化，智慧交通更多是系统维度考虑交通安全的可靠和效率。通过人、路、车，以及基础设施等之间的连接，相当于构建了一个面向交通的工业物联网，来打造高效出行的画面。”因此，前述NB2产品正是面向该场景进行的设计应用。
探路
此前英特尔一度希冀收购该行业的头部厂商SiFive就是一个案例，这被行业观点认为，是为了抵御英伟达计划收购Arm所带来的一定影响。虽然最终这两宗收购计划都未果，但也显示出RISC-V被愈发重视。
从全球整体发展态势来说，陈文广告诉记者，在技术方面，海外的头部企业相比国内发展水平相对领先，但差距不大。在应用领域方面，中国的RISC-V的落地领域以IoT为主，而海外厂商的落地领域不仅覆盖于此，在数据中心、智能驾驶、存储芯片、电子消费等领域均有涉及。
据悉，目前全球头部企业美国SiFive，创立于2015年。2021年4月，SiFive宣布首款基于5nm工艺的RISC-V架构的SoC芯片成功流片，该SoC可用于AI、数据中心、高性能计算等场景。
身处其中的公司也在积极探索更大技术融合空间。李涛介绍，基于RISC-V架构，跃昉科技还非常聚焦和关注区块链方面技术。
“在未来智慧交通过程中参与方非常多，可能有车厂、交通管理部门和政府监管部门，还有用户本身。如何解决在智慧交通体系下数据上链、数据互信、本地存储等需求和问题，可能还需要借助区块链技术。”补充道。
当然，NB2不局限于这个方向，包括工业物联网下的智慧能源、智慧物流、智慧工厂等，都是NB2产品和跃昉科技主要聚焦的方向。
由于RISC-V诞生时间太短，仅5年，在中国本土市场，相关的编译器、开发工具和软件开发环境（IDE）以及其他生态要素还在积极建设当中。

但是中国本土RISC-V的生态培育近几年明显提速，目前已初见成效。RISC-V生态链条的参与者也逐渐多元化，其中IP环节主要包括平头哥、芯来、赛昉及睿思芯科等本土企业提供IP、编译器、工具链等产品。设计环节包括海思、瑞芯微、兆易创新等众多企业，应用涵盖MCU、边缘计算芯片等领域，中国RISC-V产业联盟目前也有了超过120家联盟会员。
除生态外，中国发展RISC-V技术还面临以下两大难点：缺乏相关人才，和碎片化风险。
“由于RISC-V在中国仍处于发展初期，从事该领域的专业人才数量较少。加上该领域尚未实现大量盈利，以及传播语言等问题，导致国内并无足量的技术人员进入。”陈文广进一步分析，而RISC-V架构开源规则本身有一定局限性。其强调完全开源的设计，就导致RISC-V架构可能出现，虽然拥有更多指令集，却无法共用的问题。
当各公司做出具有本身公司特色的芯片时，如果选择将自己的专属指令集保密，那么若干年后，很可能出现芯片互不兼容的情况，这样的碎片化往往不利于产业发的。
“例如Android本身是一个开源系统，但经过华为、小米、OPPO等厂商各自开发成自己的系统之后，就变得不再互相兼容，这也是RISC-V架构开源规则本身的局限性。”补充道。
“觉得判断生态是否加速落地的一个标准，就是是否有更多产品应用到实际场景中去。在定位偏向SoC，但关键要找到一个相对明确的方向，去把这个SoC应用到系统上。”李涛向记者表示，跃昉科技团队都对系统有一定认知，因此愿意与客户一道，共同探索应用场景的差异化表现，同时让客户更好接受基于RISC-V架构的产品。
MIPS倒下！转身投入RISC-V阵营
全球三大芯片架构之一MIPS，已经成为历史。
据外媒报道，所属公司宣布将放弃继续设计MIPS架构，全身心投入RISC-V阵营。
作为当年站在RISC改革前沿的前浪，MIPS由图灵奖得主、谷歌母公司董事长John Hennessy创办坐镇，创办8年即上市。

生于斯坦福，今年40岁
论起出身，MIPS可以说是“师出名门”。
1981年，时任斯坦福教授的John Hennessy领导团队，实现了第一个MIPS架构处理器。
MIPS，全称为Microprocessor without Interlocked Pipeline Stage。采用5级指令流水线，能够以接近每个周期一条指令的速率执行。这在当时很罕见。

中科院自主研发的龙芯，其LoongISA指令集同样基于MIPS发展而来。不过，去年龙芯已宣布，准备研发一套完全采用中国技术的指令集LoongArch，实现进一步的自主可控。
值得一提的是，MIPS和现在的当红炸子鸡RISC-V称得上是师出同门，在许多方面都基于相同的思想。
MIPS的创始人John Hennessy和RISC-V之父Dave Patterson也渊源颇深。
两人合作撰写了2本现在被广泛用于本科生、研究生课程的教科书：《计算机体系结构：量化研究方法》和《计算机组成与设计：硬件/软件接口》。
2017年，两人又因“开创了一种系统的、定量的方法来设计和评价计算机体系结构，并对微处理器行业产生了持久的影响”，共同获得图灵奖。
专利被瓜分，又数次易手
然鹅，没想到的是，当年如此辉煌的MIPS，从21世纪伊始就逐渐走下神坛。
而这当中的每一步都是如此的戏剧化。
首先，智能手机时代的爆发让竞争对手Arm走上舞台中央。
之前也提到，MIPS设计之初就主打高性能的产品，比如游戏机、路由器、打印机等，对标英特尔的x86。
而Arm从诞生开始就瞄准嵌入式低功耗领域，以至于在智能手机时期，Arm立刻可联合高通、苹果、联发科打造移动处理器芯片。
当时的MIPS产品并没有低功耗的优势，等反应过来也为时已晚。

剩下的专利（82项核心架构相关的关键专利）和公司运营主体都卖给了Imagination，收购价仅为6000万美元。
两个收购方还就这些专利达成了交叉授权协议：Imagination获得498项剥离专利的终身免费授权，Bridge Crossing则得到82项保留专利的限制性授权。
本以为MIPS遭遇如此贱卖，应该已经是大结局了。
但没曾想，这是多舛命途的开始。
Imagination本想借此番收购加强自身的CPU业务，第一大股东英特尔也想牵制Arm的发展。
但在重要客户苹果选择自研GPU之后，Imagination业务一度告急，随即选择将MIPS抛售，自己也面临着收购的命运。
MIPS经过两度转手，最终在2018年6月，落到了AI初创企业Wave Computing手里。

国外也有一家公司SiFive，去年推出了一款使用RISC-V处理器的Linux电脑。

免费、又好用、可应用的范围还广……这应该就是MIPS转战RISC-V的主要原因吧。
至于之前已经得到MIPS授权的厂商，仍然可以合法的生产基于MIPS芯片。
参考链接：
[1]https://www.eejournal.com/article/wait-what-mips-becomes-risc-v/
[2]https://www.arm.com/company/news/2012/11/arm-announces-participation-in-a-consortium-to-acquire-rights-to-mips-technologies-mips-portfolio
[3]http://www.semiinsights.com/s/electronic_components/23/38298.shtml

参考文献链接
https://mp.weixin.qq.com/s/RarwxpkLWF9g48CdGVKYEQ
https://mp.weixin.qq.com/s/ypwG1TMCbC-TWvIYqreGPQ
https://mp.weixin.qq.com/s/MUmb5oTtfUKI-W67qEdn1g
https://mp.weixin.qq.com/s/ljidk_fkRWxc4ilgoOG6Fw
https://mp.weixin.qq.com/s/jpVnNjxDXfEbMw8BTpaZKg
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来源：普通网友