操作系统-x86与ARM

指令集

指令集可分为复杂指令集(CISC)精简指令集(RISC),其代表构架分别为x86ARM

x86

CISC

CISC 是一种为了便于编程和提高记忆体访问效率的芯片设计体系,包括两大主要特点:

  1. 使用微代码,指令集可以直接在微代码记忆体里执行,新设计的处理器,只需增加较少的电晶体就可以执行同样的指令集,也可以很快地编写新的指令集程式;
  2. 拥有庞大的指令集,x86拥有包括双运算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到记忆体以及记忆体到寄存器的多种指令类型,为实现复杂操作,微处理器除向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外,还通过存于只读存储器(ROM)中的微程序来实现极强的功能,微处理器在分析完每一条指令之后执行一系列初级指令运算来完成所需的功能。

与采用RISC不同的是,在CISC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,执行速度慢。

优势

x86指令体系的优势体现在能够有效缩短新指令的微代码设计时间,允许实现CISC体系机器的向上兼容,新的系统可以使用一个包含早期系统的指令集合。另外微程式指令的格式与高阶语言相匹配,因而编译器并不一定要重新编写。

缺点

相较ARM RISC指令体系,其缺点主要包括四个方面

  1. 通用寄存器规模小。
  2. 解码器影响性能表现。
  3. x86指令集寻址范围小,约束用户需要。
  4. x86 CISC单个指令长度不同,运算能力强大,不过相对来说结构复杂,很难将CISC全部硬件集成在一颗芯片上。

ARM

ARM是高级精简指令集的简称,它是一个32位的精简指令集架构,但也配备16位指令集,一般来讲比等价32位代码节省达35%,却能保留32位系统的所有优势。

RISC

是为了提高处理器运行速度而设计的芯片体系,它的关键技术在于流水线操作即在一个时钟周期里完成多条指令。

相较复杂指令集CISC而言,以RISC为架构体系的ARM指令集的指令格式统一、种类少、寻址方式少,简单的指令意味着相应硬件线路可以尽量做到最佳化,从而提高执行速率。因为指令集的精简,所以许多工作必须组合简单的指令,而针对复杂组合的工作便需要由编译程序来执行。

主要特点

  1. 体积小、低功耗、低成本、高性能——ARM被广泛应用在嵌入式系统中的最重要的原因;
  2. 支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;
  3. 大量使用寄存器,指令执行速度更快;
  4. 大多数数据操作都在寄存器中完成;
  5. 寻址方式灵活简单,执行效率高;
  6. 指令长度固定;
  7. Load_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CSIC中,CPU是可以直接对内存进行操作的;
  8. 流水线处理方式。

ARM64

ARMv8是ARM版本升级以来最大的一次改变,ARMv8的架构继承以往ARMv7与之前处理器技术的基础,除了现有的16/32bit的Thumb2指令支持外,也向前兼容现有的A32(ARM 32bit)指令集,扩充了基于64bit的AArch64架构,除了新增A64(ARM 64bit)指令集外,也扩充了现有的A32(ARM 32bit)和T32(Thumb2 32bit)指令集;