处理器指令集与微架构深度解析

大家好，最近有朋友测试了两款基于armV8指令集的服务器处理器，结果差异显著，这充分展示了两家公司在微架构设计上的差距。

今天cloud3来和大家探讨一下处理器的指令集和微架构。

指令集

指令集就是我们常说的架构，CPU在执行计算任务时需要遵循一定的规范，这种规范或语言就是指令集（ISA，Instruction Set Architecture）。它定义了处理器的操作，通过指令集来控制处理器实现相应功能。

常见的指令集包括x86、ARM、MIPS、Alpha、RISC-V和Power等。其中x86属于CISC指令体系，而其他都是RISC指令体系的指令集。

指令集可以被扩展，例如x86增加64位支持后就有了x86-64。厂商开发兼容某种指令集的CPU时，需要获得指令集专利持有者的授权，典型的例子是Intel授权AMD，使后者能够开发兼容x86指令集的CPU。

微架构

CPU核的实现方式被称为微架构（Microarchitecture），它是处理器的硬件架构，由一系列硬件电路组成，用于实现指令集所规定的操作和运算。

在相同指令集架构的规范下，不同的设计者会采用不同的硬件电路设计方法，因此设计出的微架构各不相同。

例如，AMD的x86指令架构是通过Intel授权获得的，尽管AMD使用的是x86指令集，但Intel并没有将硬件实现方法告知AMD。如果实现方式相同，那么两者的CPU就完全一样了。这就是指令集相同而微架构不同的原因。

总结来说，指令集是CPU选择的指令编码，而微架构是其具体的物理实现方式。

我们常说的Haswell、Cortex-A57、Cortex-A72、Kyro等都是指CPU的微架构。其中，Cortex系列是ARM公司的微架构，任何公司都可以购买，这种我们称之为公版架构。Kyro则是高通基于ARM指令集自行设计的微架构，是构建在ARM指令集生态上的微架构。

关于ARM授权

ARM公司拥有自主研发的ARM指令集，同时也研发了具体的微架构，如Cortex系列，并对外授权。ARM的授权分为两个层次：一种是指令集授权，一种是微架构授权。

如果是指令集授权，购买者仅获得ARM的架构/指令集（如ARMv8、ARMv9），然后自行研究兼容ARM指令集的微架构。例如，苹果公司可以基于ARM指令集设计自己的微架构，甚至可以对ARM指令集进行扩展，从而开发出苹果自己的“swift架构”。

如果是微架构授权，购买者只能在ARM微架构的基础上添加自己的外设，最终形成完整的SoC。

自主研发微架构才是IC设计实力的体现

最能体现CPU设计能力的是微架构的设计能力，微架构的研发也是IT产业技术含量最高的领域之一。业界认为，一个企业只有具备独立的微架构研发能力，才算真正具备了CPU研发能力。

因为CPU微架构的设计非常复杂，包括缓存管理、缓存设计、乱序执行、超标量、超流水线、内存控制、分支预测等众多极其复杂的电路，这些结构的效率直接决定了CPU的性能。因此，微架构才是决定处理器好坏的主要因素。

高通、苹果、华为、龙芯等公司都是自主设计这些电路，因此拥有自主的CPU微架构，只是使用了ARM的指令系统和寻址方式。微架构设计得最好的当属苹果，华为的鲲鹏920也是基于armV8指令集的自研微架构，我国的龙芯虽然使用了MIPS指令系统，但微架构也是自主设计的。

我们为什么不设计一套指令集？

需要明白的是，指令集与操作系统和编译器紧密相连。目前主流的移动操作系统有Android和iOS，它们是ARM的亲密战友，而x86指令集则有Windows这棵大树。

如果你设计一套新的指令集架构，生态系统将是一个大问题。所以你会看到华为、三星、高通都购买ARM的授权，实际上他们购买的是一种生态。

现在龙芯的LoongArch是国内第一套完全自研的指令集，这是龙芯从原来的授权+自主指令集模式的道路上走了一段时间后的突破。

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