现代处理器的主要指令集架构（ISA）包括： x86 指令集架构、RISC指令集架构。其中，x86可以划分为x86-32（英特尔）、x86-64（英特尔）、AMD64（AMD）等三种。RISC可以划分为 ARM 、MIPS、Alpha、RISC-V。

现代处理器的指令集架构

现代处理器的主要指令集架构（ISA）包括：x86指令集架构、RISC指令集架构。其中，x86可以划分为x86-32（英特尔）、x86-64（英特尔）、AMD64（AMD）等三种。RISC可以划分为ARM、MIPS、Alpha、RISC-V。

“观其源可以知其流，而因其流亦可溯其源”。如果仅仅像教材一样泛泛而谈，则无法掌握处理器芯片的底层原理。下面，我们首先谈一下x86指令集的问题。

x86指令集

第一个方面，x86指令集为了保持二进制的兼容性，即：上一代芯片的应用程序仍然能运行在下一代芯片中，使之前后系列的芯片成为一个“系列机”，扩展了许多新的指令，导致x86指令集的规模不断膨胀。

第二个方面，x86指令集在设计时，采取了一种强指令的方式，即：一条指令可以完成非常强大的功能。例如，一条指令可以完成内存不同位置的整个运算过程，或将一块数据直接从内存的一个位置移动到另一个位置，而且这种强大的操作是在1个时钟周期内完成的。

在这里，我个人强调CISC指令集的定义，不应该仅仅是指令规模庞大，更重要的是，单条指令的效率较高，也应该是CISC的含义之一。许多教材只强调前者是不严谨的说法。

上图列出了英特尔官方统计的指令数量变化。在将近40年的发展历史中，x86由不足200条指令到今天超过1600条指令。

上图列出了x86指令集的MOV指令种类，其可以跳过一系列底层的微操作，实现一个较为复杂的指令功能。

基于以上的设计理念，x86指令集有以下的优点或缺点。注意，缺点也许是优点，优点也许是缺点，这是马克思辩证唯物主义的思想。

• 由于需要兼容以往的历史版本，x86的硬件设计复杂，这也成为了其历史包袱。但是，塞翁失马、焉知非福，二进制的兼容性获得了IBM的强力支持，让英特尔快速占领了PC和台式机市场。
• 一条指令的功能很强，这降低了对编译器的要求。另外，不需要考虑那么多的底层指令，早期的汇编程序员面对x86编程时也较为轻松。
• 多条高效率的指令并行，让单个核的性能强大。早期的处理器，单核架构足以满足应用需求。
• 必须要大量的冗余晶体管，以实现这种CISC复杂指令集设计。冗余的晶体管带来了大量的面积和功耗开销。

如今，x86指令集在笔记本、台式机、服务器等场景取得了近乎垄断的优势，和IBM有着紧密的联系。可以说，IBM的选择成就了x86指令集的今天，并成就了英特尔这家曾经名不见经传的小公司。

引文1：在20世纪80年代，IBM在计划研制第一台个人计算机（PC）时，考虑过德州仪器的TMS9900、Motorola 68000、英特尔8088。尽管，Motorola 68000被后世认为是最佳选项，但是，IBM出于已经熟悉了英特尔8085、处理器制造授权的考虑，选择了8088这一注定名垂青史的x86处理器。从此，计算机工业界笼罩在了x86指令集的乌云之下。

引文2：IBM PC上市后大受欢迎，销售额超出IBM预期「八倍」，一度每月出货高达4万台。1983年IBM卖出超过75万台个人电脑，刺激IBM进入这市场的DEC仅售出6万9千台。到1984年，IBM个人电脑营收为40亿美元，是同期苹果两倍多。拜开放规格之赐，距离IBM PC首次亮相还不到一年，1982年6月市场就出现其他品牌的相容（Clone）机种，从此开启个人电脑的大航海时代。

以上两段文字引自technews、半导体行业观察，其简要描述了IBM早期的选择及其巨大的市场成功。

ARM指令集

在上世纪80年代，计算机科学家们分析了大量的程序，发现80%的指令是很少用到的，处理器频繁地使用20%的那部分指令，比如Load指令、条件分支指令、Store指令、比较指令。如下图所示，该表格引自《计算机体系结构：量化研究方法（第六版）》。作者是David Patterson、John Hennessy。

因此，早期的RISC指令集、MIPS指令集应运而生，它们砍掉了大量不常用的冗余指令，只保留了最基本、最常用、功能最简单的指令集合。基于这种RISC指令集设计的处理器架构代表是ARM架构，为了便于不同客户进行定制化修改，其每代均会推出以下三个授权版本：

• Cortex-A内核，面向高性能应用。
• Cortex-R内核，面向实时系统。
• Cortex-M内核，面向嵌入式设备场景。

相比于x86指令集（CISC复杂指令集），ARM这种RISC精简指令集的变化主要是：

第一个方面，原来大量的冗余指令，以及由于历史原因兼容的指令，都在统计结果的基础上予以删除。

第二个方面，原来的一条x86强指令，在ARM中被多条基本的简单指令替代。

举一个例子：CISC提供的乘法指令，调用时可完成内存a和内存b中的两个数相乘，结果存入内存a，需要多个CPU周期才可以完成；而RISC不提供“一站式”的乘法指令，需调用四条单CPU周期指令完成两数相乘：内存a加载到寄存器，内存b加载到寄存器，两个寄存器中数相乘，寄存器结果存入内存a。

基于以上的设计理念，或者说，在这样的底层逻辑下，ARM指令集的处理器架构有如下优点或缺点：

• 砍掉了大量的x86冗余硬件设计，使得DEC译码器的设计更加简单，节省了大量的面积和功耗开销。
• 一条ARM指令的功能更加单一和基本，这种指令相比于x86的强指令可以称之为”弱指令“，执行这样的弱指令所需的功耗进一步降低。
• 由于原来一条x86强指令就可以搞定的事情，在ARM这里需要多条弱指令组合来做，大幅提高了编译器的设计难度，同时提高了汇编语言编程的难度。
• 由于ARM指令集的处理器，相比于x86指令集的处理器，其在硬件结构上更加简单，因此，单个ARM核的面积和功耗更小，但是其性能也更弱小。这就导致了我们堆叠多个弱小的ARM核来打一个强大的x86核。

显然，ARM是ISA指令集架构的后起之秀，其由于出色的低功耗处理器设计技术，在手机、嵌入式设备、平板电脑、移动设备等领域，取得了十分巨大的成功。

我们熟悉的苹果M系列芯片、高通骁龙系列芯片、华为麒麟系列芯片、三星Exynos系列芯片，均是在ARM架构的基础上针对移动端设计的。

后记

下一节，我们深入谈一谈x86指令集、ARM指令集更加细节的区别。

本文的作者是岳诗鹏。

岳诗鹏，湖北孝感人，清华大学硕士，处理器芯片设计专业，吉林大学本科，电子信息工程专业。现专注于算力芯片的架构和设计。