CPU 的架构

Mr.Hope ... 2020-06-05 硬件 大约 3 分钟

CPU 内部已经含有一些微指令,我们所使用的软件都要经过 CPU 内部的微指令集来达成才行。那这些指令集的设计主要又被分为两种设计理念,这就是目前世界上常见到的两种主要 CPU 架构,分别是: 精简指令集(RISC)与复杂指令集(CISC) 系统。

# 精简指令集

精简指令集,(Reduced Instruction Set Computer, RISC) 的设计中,微指令集较为精简。每个指令的执行时间都很短,完成的动作也很单纯,指令的执行性能较佳;但是若要做复杂的事情,就要由多个指令来完成。常见的 RISC 微指令集 CPU 主要例如甲骨文(Oracle) 公司的 SPARC 系列、IBM 公司的 Power Architecture (包括 PowerPC) 系列、与 ARM 公司(ARM Holdings) 的 ARM CPU 系列等。

在应用方面,SPARC CPU 的电脑常用于学术领域的大型工作站中,包括银行金融体系的主要伺服器也都有这类的电脑架构;至于 PowerPC 架构的应用上,例如索尼(Sony)公司出产的 Play Station 3(PS3)就是使用 PowerPC 架构的 Cell 处理器;那 ARM 的 ARM 呢? 您常使用的各厂牌手机、PDA、导航系统、网络设备(交换器、路由器等)等,几乎都是使用 ARM 架构的 CPU。目前世界上使用范围最广的 CPU 可能就是 ARM 这种架构。

# 复杂指令集

复杂指令集,(Complex Instruction Set Computer, CISC)。与 RISC 不同的,CISC 在微指令集的每个小指令可以执行一些较低阶的硬体操作,指令数目多而且复杂,每条指令的长度并不相同。因为指令执行较为复杂所以每条指令花费的时间较长,但每条个别指令可以处理的工作较为丰富。常见的 CISC 微指令集 CPU 主要有 AMD、Intel、VIA 等的 x86 架构的 CPU。

由于 AMD、Intel、VIA 所开发出来的 x86 架构 CPU 被大量使用于个人电脑(Personal computer)用途上面,因此,个人电脑常被称为 x86 架构的电脑! 那为何称为 x86 架构呢? 这是因为最早的那颗 Intel 发展出来的 CPU 代号称为 8086,后来依此架构又开发出 80286, 80386...,因此这种架构的 CPU 就被称为 x86 架构了。

在 2003 年以前由 Intel 所开发的 x86 架构 CPU 由 8 位数升级到 16、32 位数,后来 AMD 依此架构修改新一代的 CPU 为 64 位数, 为了区别两者的差异,因此 64 位数的个人电脑 CPU 又被统称为 x86_64 的架构。

提示

所谓的位数指的是 CPU 一次资料读取的最大量! 64 位数 CPU 代表 CPU 一次可以读写 64bits 这么多的资料,32 位数 CPU 则是 CPU 一次只能读取 32 位数的意思。因为 CPU 读取资料量有限制,因此能够从记忆体中读写的资料也就有所限制。所以,一般 32 位数的 CPU 所能读写的最大资料量是 4GB。

那么不同的 x86 架构的 CPU 有什么差异呢? 除了 CPU 的整体结构(如第二层快取、每次运行可执行的指令数等)之外, 主要是在于微指令集的不同。新的 x86 的 CPU 大多含有很先进的微指令集, 这些微指令集可以加速多媒体程序的运行,也能够加强虚拟化的性能,而且某些微指令集更能够增加能源效率,降低 CPU 耗电量。