以前的文章說過，芯片的分類方法很多，種類猶如夜空的繁星，多到無法枚舉。本文把芯片的范圍縮小，聚焦高端通用芯片CPU這一分支，我們會發(fā)現(xiàn)CPU芯片的種類也不少，而且“門派”林立，儼然像一個CPU芯片“江湖”，指令集和微架構就是這個江湖中的門派標志。什么是CPU指令集和微架構？為什么指令集和微架構是江湖門派標志？本文試圖用通俗的語言加以說明。

CPU是中央處理器（Central Processing Unit）的英文簡稱，是一種高端通用芯。它在計算機（電腦）和智能設備中用來指揮各個部件協(xié)同高效地工作。它是電腦和智能設備的控制中樞，是電腦中的大腦。

電腦的部件需要CPU來指揮，而CPU內(nèi)的部件也需要受到指揮協(xié)調(diào)才能工作，這個指揮官就是程序，由程序發(fā)出的指揮CPU內(nèi)部電路協(xié)同工作的命令，簡稱為指令。例如，如果要讓CPU完成一次A+B-》C的計算，就要發(fā)2條存取指令，從存儲器把A和B取出來送到運算器中；再發(fā)1條加法指令，讓運算器執(zhí)行加法運算；最后發(fā)1條存取指令，把C存入存儲器。這個例子中用到了兩種指令：存取指令和加法指令。

實際上，一個通用CPU要完成各類計算、推理、判斷和控制工作，它的指令種類少則幾十種，多則數(shù)百種，CPU的各種指令的集合稱為CPU的指令集。指令集確定了CPU的工作方式和與之相適應CPU內(nèi)部的硬件架構，這種硬件架構稱為CPU的微架構。指令集和微架構是一個公司研發(fā)出新款CPU后形成的核心知識產(chǎn)權。指令集是CPU的頂層設計規(guī)范，微架構是這個頂層規(guī)范的物理實現(xiàn)，這種實現(xiàn)可以有多種，實現(xiàn)方法可以有變化。一般說的CPU架構就包含了CPU指令集和微架構兩個東西。

圖1.新的指令集和微架構可以創(chuàng)立一個新的CPU芯片江湖門派

圖1描述了指令集、微架構、CPU芯片和芯片用戶群之間的關系。可以看到，研發(fā)一款新的指令集和微架構，就相當于在CPU芯片江湖中創(chuàng)立了一個門派。具體地講，A公司開發(fā)了一款新的CPU，意味著創(chuàng)建了新的指令集和微架構，不但A公司的CPU芯片形成了用戶群A，而且A公司還可以授權其他公司開發(fā)CPU芯片，并形成相應的用戶群B、C、D等。新的指令集和微架構可以開發(fā)一個CPU芯片家族，可以產(chǎn)生一個芯片用戶集群，就好像產(chǎn)生了一個江湖門派。指令集和微架構設計得好，CPU的性能就好，用戶就多，追捧者就多，門派就興旺發(fā)達。

圖2.指令集是連接軟件和硬件的紐帶

圖2表明，指令集是連接軟件和硬件的紐帶。如論是應用程序還是操作系統(tǒng)中的系統(tǒng)代碼，最終都被編譯成可以在CPU芯片內(nèi)部執(zhí)行的符合指令集規(guī)范的機器代碼程序。機器代碼程序中的指令控制著CPU內(nèi)部部件協(xié)調(diào)高效工作，并實現(xiàn)CPU的整體功能，進而由CPU控制整機系統(tǒng)工作。指令集是系統(tǒng)軟件和硬件工程師共同遵從的法條，只有遵守了這個法條，軟件工程師編寫的軟件才能在不同型號的整機系統(tǒng)上運行。硬件工程師開發(fā)的整機系統(tǒng)才能運行現(xiàn)有的應用軟件。

講了這么多概念，也分析了這些概念的關系，如果還不好理解的話，讓我們來看看三個代表性的CPU指令集和微架構的例子吧。第一個是代表單片機或微控制器（MCU）的MCS-51指令集。第二個是代表復雜指令集計算機（CISC）的x86指令集。第三個是代表精簡指令集計算機（RISC）的ARM指令集。舉例這些指令集和微架構的目的不是為了研究，只是為了展示，目的是使讀者對CPU芯片江湖的門派標志——指令集和微架構有個宏觀印象。

為什么要把MCU指令集拿來和CPU指令集一同展示？讓我們先了解一下MCU、CPU和SoC三者的關系吧。MCU是微控制器（Micro ControllerUnit）的英文簡稱，是一種中低端的通用芯片，主要用于中小電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的控制。SoC是系統(tǒng)級芯片（System on Chip）的英文簡稱，是一種包含低、中、高端處理功能的面向應用領域的專用芯片。MCU、CPU和SoC難以絕對劃界，但是，如果研究了三者的特點后，您就可以對它們進行清晰的區(qū)分了。

三者的共同特點：它們都是智能電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的控制中樞，都有要遵循的指令集和微架構。三者的差別：MCU一般是4位、8位和16位微架構，工作頻率不會太高?？刂菩匀蝿蛰^多，計算和信息處理性工作較少。與CPU相比，單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位微架構，工作頻率很高，更重視處理速度和運算能力，單芯片上很少集成外部接口和功能部件。SoC更加重視單芯片的系統(tǒng)集成度，各種位寬微架構、工作頻率、集成度的SoC都可以有，單芯片上包含多種外部接口和功能部件。

MCU與CPU的區(qū)別是處理能力小與大，偏向控制與偏向計算的區(qū)別。SoC處理能力可小可大，如果在MCU或者CPU芯片上集成更多的外部接口和功能部件，這個MCU或者CPU芯片就變成了SoC芯片。

一、指令集與微架構的三個代表

基于上述原因，以及ARM CPU通常被嵌入到SoC芯片中，本文選擇了MCS-51作為MCU指令集的代表，x86既作為CISC指令集的代表也作為了CPU指令集的代表，ARM既作為RISC指令集的代表也作為了SoC指令集的代表，下文對它們做簡要介紹和展示。

1.MCS-51指令集和微架構

MCS-51指令集是Intel公司1980年前后開發(fā)的單片機指令集，該指令集包含數(shù)據(jù)傳送、位操作、邏輯運算及轉移、算術運算、控制轉移5個大類共計111條指令（圖3）。該指令集對應的單片機微架構如圖4所示。

通過對該微架構硬件的增、減、改變，Intel先后開發(fā)了兼容MCS-51指令集的系列單片機芯片，共計16個型號（圖3）。另外Intel也向許多公司開放MCS-51指令集和微架構，允許他們生產(chǎn)兼容MCS-51指令集的單片機。這些公司包括ATMEL、PHILIPS、NXP、OKI等，以及日本、臺灣和國內(nèi)的一些公司。因此，MCS-51單片機在全球應用十分普及。MCS-51開辟了一個規(guī)模龐大、應用甚廣的單片機大家族。

圖3.MCS-51單片機指令集（來源：無憂文檔）

圖4. MCS-51單片機內(nèi)部的微架構（來源：百度百科）

圖5. MCS-51單片機家族（來源：參考資料5）

2. x86指令集和微架構

1978年，Intel公司開發(fā)出了16位的CPU，并命名為i8086，同時還開發(fā)出與之相配合的數(shù)學協(xié)處理器i8087，這兩種芯片使用相互兼容的指令集，再加上i8087用于對數(shù)、指數(shù)和三角函數(shù)等數(shù)學計算的指令集，就形成了今天人們常說的x86指令集。隨后的40年間，Intel陸續(xù)研制出i80286、i80386、i80486、奔騰（Pentium）系列、酷睿（Core）系列等后續(xù)CPU型號。研制這些CPU芯片時，為了保持向前軟件兼容，Intel所有CPU繼續(xù)使用x86指令集，并根據(jù)CPU功能提升和性能增強的需要，增加了286、386、486、Pentium、Pentium Ⅱ等擴展類指令?！靶氯昱f三年，修修補補又三年”，可以說x86指令集是與時俱進，不斷生長和變復雜的典范，因而x86指令集成了名副其實的復雜指令集（CISC）。

x86指令集包括數(shù)據(jù)傳送、邏輯運算、移位運算、程序控制、算術運算、串操作、處理器控制、286擴展、386擴展、486擴展、Pentium擴展、Pentium Ⅱ擴展12個大類共計190多條指令（圖7）。圖8分別是Intel Core和AMD K8的CPU微架構。

Intel和AMD是全球最大的兩家x86指令集CPU芯片開發(fā)商。Intel多達上百個型號的CPU都屬于x86系列。另外，加上AMD多達80多個型號的兼容x86 CPU，x86指令集CPU芯片家族的陣容可謂是十分壯觀（圖10）。兩家公司的CPU芯片不斷迭代升級，相互競爭，型號品種繁多，形成了令世人矚目的CPU產(chǎn)品發(fā)展軌跡。

圖7. x86 CPU指令集（來源：參考資料1）

圖8. x86 CPU的兩種微架構舉例（來源：參考資料3）

3. ARM指令集和微架構

ARM公司成立于1990年，是全球領先的CPU IP（Intellectual Property）提供商，全世界超過95%的智能手機和平板電腦都采用ARM架構處理器。ARM公司自己不設計和銷售CPU芯片，只向其他公司銷售和授權使用ARM架構的系列CPU IP。ARM授權從高到低大體分為三種，包括架構授權、內(nèi)核授權和使用授權，本文只關心前兩種。架構授權對設計團隊的要求很高，許可費用也很昂貴，只適合有實力的大公司，中小企業(yè)一般選擇購買內(nèi)核授權。

架構授權（也稱為指令集授權）是指用戶購買了架構級的ARM處理器設計、制造的許可權后，可以從整個指令集和微架構入手，對ARM架構進行改造，甚至可以對ARM指令集進行裁減或擴展，實現(xiàn)更適合自用、更高性能、更低功耗、更低成本的目的。擁有ARM架構授權的公司包括高通、蘋果、三星、微軟、海思等。

內(nèi)核授權（也可稱為方案授權）是指用戶可以將其所購買的ARM核心（IP核）應用到自己設計的芯片中，但用戶不得對ARM核心進行修改。擁有內(nèi)核授權的公司多如牛毛，國際上包括德州儀器、博通、飛思卡爾、富士通以及Calxeda等，國內(nèi)中小芯片設計公司也很多，不勝枚舉。

圖10展示了ARM指令集。ARM指令集包括跳轉指令、數(shù)據(jù)處理、乘加指令、PSR訪問、加載/存儲指令、數(shù)據(jù)交換、移位指令、協(xié)處理器8個大類共計50條指令（其中，ARM指令16條，Thumb指令18條，Thumb-2 16條）。加上15條控制偽指令合計65條指令。圖11展示了一款可內(nèi)核授權的ARM核心微架構，它的型號命名為ARM Cortex A9。

全球1500多家企業(yè)獲得了ARM公司授權，可以研發(fā)和生產(chǎn)ARM架構的處理器芯片和包括含ARM內(nèi)核的SoC芯片。圖12是全球采用ARM架構處理器技術的用戶、工具商、合作伙伴的Logo圖譜。ARM CPU門派在移動通信領域一家獨大，并正在向其它領域滲透，包括物聯(lián)網(wǎng)、臺式電腦、服務器等，讓x86 CPU門派老大Intel公司十分不安。

1. MCU類的指令集

MCU作為縮減版的CPU和SoC，它也有指令集和微架構，同樣是智能電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的控制中心。因此，它可以作為CPU芯片江湖的一員，被寫入到這一部分來，讓讀者看看MCU指令集門派都有哪些種類。

這個門派下的指令集包括：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類的指令集

CISC類指令集也可稱為復雜指令集。CISC是復雜指令集計算機（Complex Instruction SetComputer）的英文縮寫。在CISC指令處理器中，程序的各條指令是按順序串行執(zhí)行的，每條指令中的各個操作也是按順序串行執(zhí)行的。順序執(zhí)行的優(yōu)點是控制簡單，但計算機各部分的利用率不高，執(zhí)行速度較慢。

這個門派下的指令集包括：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類的指令集

RISC類指令集也可稱為精簡指令集。RISC是精簡指令集計算機（Reduced Instruction SetComputing）的英文縮寫。它是在CISC指令系統(tǒng)基礎上發(fā)展起來的，CISC各種指令的使用頻度相當懸殊，最常使用的是一些比較簡單的指令，它們僅占指令總數(shù)的20％，但在程序中出現(xiàn)的頻度卻占80％。復雜指令系統(tǒng)必然增加微處理器的復雜性，并且指令解碼執(zhí)行過程復雜并且費時，必然會降低計算機的速度。20世紀80年代誕生了RISC型CPU。相對于CISC型CPU，RISC型CPU不僅精簡了指令集，還采用了超標量和超流水線結構，大大增加了并行處理能力。RISC指令集是高性能CPU的發(fā)展方向。RISC的指令格式統(tǒng)一，種類比較少，尋址方式也比復雜指令集少。當然處理速度就提高了很多。

這個門派下的指令集包括：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聯(lián)合Apple與Motorola開發(fā)的PowerPC指令集、IBM的POWER服務器CPU 指令集、ARM公司的ARM32和ARM64指令集、開源RISC-V指令集等。

4.EPIC類的指令集

EPIC類指令集也稱為精確并行指令集。EPIC是精確并行指令計算機（Explicitly ParallelInstruction Computers）的英文縮寫。EPIC是否是RISC和CISC體系的繼承者的爭論不少，單以EPIC體系來說，它更像Intel的處理器邁向RISC體系的重要步驟。EPIC體系設計的CPU，在相同的主機配置下，處理Windows的應用軟件比基于Unix下的應用軟件要好很多。

Intel采用EPIC技術的服務器CPU是安騰Itanium（開發(fā)代號Merced）。它是64位處理器，也是IA－64系列中的第一款。

圖13. 全球流行的CPU指令集的分類

三、實現(xiàn)CPU自主可控的夢想

發(fā)展自主可控的國產(chǎn)CPU，首先要解決指令集和微架構的自主可控問題，其次是軟件生態(tài)和生產(chǎn)的問題。圖14列出了目前主要的國產(chǎn)CPU指令集及技術來源，這是我們發(fā)展自主可控國產(chǎn)CPU的基礎，這些資源已得到業(yè)界的高度重視。希望政府能頂層規(guī)劃和統(tǒng)一協(xié)調(diào)，加大資金支持力度，在業(yè)界共同努力下實現(xiàn)國產(chǎn)CPU自主可控的夢想。

圖14.主要的國產(chǎn)CPU指令集及技術來源（來源：由參考資料9整理）

如何實現(xiàn)我國CPU芯片自主可控，公認途徑歸納起來有以下幾個方面，一是購買流行CPU架構授權，開發(fā)國產(chǎn)CPU產(chǎn)品；二是用好開源CPU指令集RISC-V，走國產(chǎn)CPU自強之路。三是用好已有可控CPU架構，加大投入和研發(fā)力度，補齊國產(chǎn)CPU短板。四是創(chuàng)立新的CPU架構，走自力更生的國產(chǎn)CPU發(fā)展之路。發(fā)展國產(chǎn)CPU，實現(xiàn)安全、自主和可控是最終目的，方法可以多樣化，不一定什么都要靠自己從零做起，即未必一定要創(chuàng)立新CPU門派。

1.購買流行CPU架構授權，開發(fā)國產(chǎn)CPU產(chǎn)品。

目前，國內(nèi)大部分國產(chǎn)MCU、CPU和SoC芯片研發(fā)都是走這個途徑。之前這條路子走的很順利，國內(nèi)芯片設計銷售額多年實現(xiàn)兩位數(shù)增長，2020年有望超過3800億元。大部分公司都以購買授權方式，在自研CPU芯片中采用國外流行的CPU架構，包括華為海思自研的多款SoC芯片，都是基于ARM架構的CPU。中美科技戰(zhàn)以來，大家發(fā)現(xiàn)這是一種自主但不可控的CPU發(fā)展之路。

2.用好開源CPU指令集RISC-V，走國產(chǎn)CPU自強之路。

美國對我國芯片產(chǎn)業(yè)的打壓和圍堵，讓業(yè)界把發(fā)展自主可控國產(chǎn)CPU的希望寄托在了開源指令集RISC-V上來，這可能是目前希望最大的一條途徑。原因是RISC-V架構已比較成熟，性能也比較優(yōu)異，已經(jīng)過許多商業(yè)化應用驗證。并且國內(nèi)已具有一定的人才和技術積累。人們認為RISC-V最有希望改變當前由ARM和x86主導CPU芯片江湖的局面，它將對ARM在消費類、IoT等嵌入式CPU市場的優(yōu)勢地位造成巨大沖擊。RISC-V是國產(chǎn)自主可控CPU的曙光。RISC-V目前的唯一短板還是軟件生態(tài)不夠完善，需要業(yè)界同仁奮發(fā)努力。

3.用好已有可控CPU架構，加大投入和研發(fā)力度，補齊國產(chǎn)CPU短板。

國內(nèi)有些公司多年前陸續(xù)繼承了一些國外老舊CPU架構的產(chǎn)權，有些公司也獲得了國外較成熟CPU架構永久授權，也有些公司自創(chuàng)了CPU和GPU架構。例如阿里平頭哥（收購中天微）、蘇州國芯、中晟宏芯、深圳中微電等。華為海思也獲得了ARM v8架構的永久授權，這些都是開發(fā)自主可控國產(chǎn)CPU的良好基礎。建議政府和企業(yè)加大投入和研發(fā)力度，在這些CPU架構基礎上創(chuàng)新發(fā)展，不斷完善軟件生態(tài)，抓住補短板和國產(chǎn)替代的良機，實現(xiàn)國產(chǎn)CPU產(chǎn)品的迭代升級和技術進步。

4.創(chuàng)立新的CPU架構，走自力更生的國產(chǎn)CPU發(fā)展之路。

這就相當于要設計一款新的CPU，建立新的CPU指令集和微架構。這是一條最困難的途徑。最困難體現(xiàn)兩方面，一是設計的新款CPU能否具備性能和功能的先進性、高效性和經(jīng)濟性；二是如何能快速搭建好新款CPU的軟件生態(tài)，包括匯編和高級語言編程工具、系統(tǒng)開發(fā)驗證工具等。軟件生態(tài)建設需要時間，需要市場，也需要研發(fā)團隊和用戶的通力協(xié)作。而且，創(chuàng)立一個CPU行業(yè)門派后，要讓這個門派發(fā)揚光大并不是一件容易的事情。因此，許多人對這條途徑不太看好。

結語：1.指令集是軟件和硬件的紐帶，電子產(chǎn)品中的軟件不論是高級語言還是匯編，最后都是轉換為一條條的指令，指揮硬件各部件協(xié)調(diào)工作，硬件是為完成指令的任務而生的。2.指令集是軟件和硬件工程師共同遵從的法條，只有遵守了這個法條，開發(fā)的軟件才能在不同型號的硬件上兼容運行。3.指令集是CPU芯片江湖門派的標志，公司名和產(chǎn)品名不過是它的代名詞罷了。只有指令集相同，產(chǎn)品才能兼容互換。只有大家都認可這個指令集，都愿意投入到這個門派之下，不斷完善軟件生態(tài)，才能使用戶越來越多，門派越來越興旺。4.發(fā)展自主可控的國產(chǎn)CPU，最困難的是搭建CPU的軟件生態(tài)。如果把CPU指令集看作門派標志的話，搭建軟件生態(tài)就是營造門派氛圍，擴大門派影響力。

原文標題：【芯論語】科普：指令集——CPU芯片江湖中的門派標志

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責任編輯：haq