【技术科普】四大主流芯片架构及其主要优势!

在“算力时代”,数字经济蓬勃发展下数据量呈现爆发式增长,数据价值凸显,从数据的产生到数据的传输、再到计算、处理,都离不开计算芯片,影响着计算芯片的芯片架构到底是什么?有什么作用?今天我们来说说信息技术中很重要的一个名词:芯片架构。

01 芯片架构是什么?

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 架构对芯片有什么作用?

芯片架构是芯片设计中的核心环节,对芯片的重要影响有:

1、芯片架构的设计直接决定了芯片能够执行什么样的功能、处理速度和效率;

2、不同的芯片架构在实现相同功能时,所需要的硬件复杂程度、制造成本、功耗等方面都有所不同;

3、芯片架构的设计也决定了芯片与外部组件之间的连接方式,包括通信接口、数据传输速度等。

03 主流的芯片架构有哪些?

目前,全球主流的芯片架构类型包括ARM架构、X86架构、MIPS架构、RISC-V架构。这些架构在性能、功耗、智能化等方面各有优势和特色,为各种应用场景提供了广阔的选择空间。

01 主流架构1:ARM架构

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:

架构优势

①体积小、低功耗、低成本、高性能——主要应用于嵌入式系统设计领域,尤其适合移动通讯领域的需求。ARM被广泛应用在嵌入式系统中的最重要的原因:支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;

②大量使用寄存器,指令执行速度更快;

③寻址方式灵活简单,执行效率高;

④Load_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。

02 主流架构2:X86架构

X86架构(The X86 architecture)是微处理器执行的计算机语言指令集,指一个intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合。其PC架构如下图所示:

架构优势

①兼容性强:X86架构的兼容性极强,几乎所有基于X86架构的电脑都可以运行同样的指令,这使得X86架构的电脑在软件兼容性方面具有优势。

②性能稳定:X86架构的电脑在运行速度和稳定性方面表现较好,能够满足大部分用户的需求。

③广泛支持:X86架构的电脑得到了众多软件开发商的支持,拥有大量的软件资源,用户可以轻松找到适合自己需求的软件。

④成熟的生态系统:X86架构的电脑拥有成熟的生态系统,包括操作系统、应用软件、硬件驱动等,为用户提供了全方位的支持和服务。

03 主流架构3:MIPS架构

MIPS架构是一种采取精简指令集(RISC)的处理器架构,1981年出现,由MIPS科技公司开发并授权,它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。

架构优势

①支持64bit指令和操作

②有专门的除法器,可以执行除法指令

③MIPS的内核寄存器更多,功耗更低,更灵活

04 主流架构4:RISC-V架构

RISC-V是一个基于精简指令集计算(RISC)架构的开放式指令集(ISA)。

架构优势

①开放性强:RISC-V是一个开放标准,任何人都可以自由使用和实现它,这使得RISC-V在开发者之间具有很高的互操作性,有助于推动计算机技术的发展。

②高度简洁和灵活:RISC-V指令集非常简洁,具有高度的可编程性和灵活性,这使得它容易学习、理解和实现。

③可扩展性强:RISC-V的指令集具有可扩展性,可以通过添加新的扩展指令集,从而实现更多的功能和性能提升。

④应用范围广:RISC-V适用于各种硬件和软件场景,有大量的开源实现和流片案例,得到了广泛的支持和应用。

小结

在历史的长河中,芯片架构一直被两大阵营所垄断,一个是X86架构,另一个是ARM架构,也是目前市场份额最大的两大架构。近年来,中国芯片架构屡屡取得重要突破,比如华为的达芬奇架构(详情请戳→【技术科普】什么是达芬奇架构?有什么优势?);相信在不久的将来,国产化芯片产业将更加欣欣向荣!

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