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ARM指令集与X86指令集之比较


ARM指令集与X86指令集之比较 [摘 要]CPU 的指令集从主流的体系结构上分为精简指令集和复杂指令集。 嵌入式系统中的主流处理器——ARM 处理器,所使用的就是精简指令集。而桌 面领域的处理器大部分使用的是复杂指令集。ARM 处理器与 X86 处理器采用不 同类型的指令集,造成了处理器在性能、成本、功耗等方面的诸多差异。 [关键词]CPU 精简指令集 复杂指令集 ARM 指令集 X86 指令集 所谓指令集,就是 CPU 中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合, 而每一种新型的 CPU 在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系 统。CPU 的指令集从主流的体系结构上分为精简指令集(RISC)和复杂指令集 (CISC) 。嵌入式系统中的主流处理器——ARM 处理器,所使用的就是精简指 令集。而桌面领域的处理器大部分使用的是复杂指令集,比如 Intel 的 X86 系列 处理器。我们把 ARM 处理器所使用的指令集称为 ARM 指令集,把 X86 处理器 所使用的指令集称为 X86 指令集。由于 ARM 处理器与 X86 处理器采用不同类 型的指令集,因而造成了处理器在性能、成本、功耗等方面的诸多差异。现从 ARM 指令集和 X86 指令集的特点、操作、功能方面做一比较,以说明两种处理 器有诸多差异的原因。 第一,X86 指令集随着计算机的功能越来越强大,计算机内部的元件越来越 多,指令也相应的变得十分复杂,而在使用过程中,并不是每一条指令都要完全 被执行,在技术人员的研究过程中发现,约有 80%的程序只用到了 20%的指令, 而一些过于冗余的指令严重影响到了计算机的工作效率。而 ARM 指令集种类大 大的减少,指令只提供简单的操作,使一个周期就可以执行一条指令。编译器或 者程序员通过几条简单指令的组合来实现一个复杂的操作(例如,除法操作) 。 第二,由于 X86 指令集是属于 CISC 类型的指令集,其每条指令的长度是不 固定的,而且有几种不同的格式,这样一来,就造成了 X86 处理器的解码工作 非常复杂。为了提高处理器的工作频率,就不得不延长处理器中的流水线。而过 长的流水线在分支如果出现预测出错的情况,又会带来 CPU 工作停滞时间较长 的弊端。 而 ARM 指令集大多数指令采用相同的字节长度, 并且在字边界上对齐, 字段位置固定,特别是操作码的位置。这就非常适合采用流水线技术,允许流水 线在当前指令译码阶段去取其下一条指令。 第三,X86 指令采用了可访问内存地址的方法,这样的方法容易造成处理器 与内存之间的不平衡工作,从而降低处理器的工作效率。而 ARM 处理器则是使 用 Load/Store 的存储模式, 其中只有 Load 和 Store 指令才能从内存中读取数据到 寄存器,所有其他指令只对寄存器中的操作数进行计算。因此,每条指令中访问 的内存地址不会超过 1 个,指令访问内存的操作不会与算术操作混在一起。 第四,X86 构架处理器中的 FPU(Floating Point Unit)浮点运算单元的运算 能力较差,其主要原因就是 X86 指令集中所使用的一个操作数堆栈。如果在运 算过程中,没有足够的寄存器进行计算,系统就不得不使用堆栈来存放数据,这 样一来会浪费大量的时间来处理 FXCH 指令,才能将正确的数据放到堆栈的顶 部。 ARM 处理器本身不支持浮点运算,所有的浮点运算都在一个特殊的浮点模拟 器中运行, 并且速度很慢, 经常需要进行数千个时钟周期才能完成浮点函数的计 算。 第五,在流水线方面,ARM 指令的

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