简化指令与复杂指令的区别

这里就不去管细节,简单来谈一下,ARMX86之间为什么不太具有可比性的问题。要搞清楚这个问题首先要明白什么是架构,之前也有很多人提到了架构不同,但架构是什么意思?它是一个比较抽象的概念,不太容易用几句话就解释清楚。

我们要明白CPU是一个执行部件,它之所以能执行,也是因为人们在里面制作了执行各种功能的硬件电路,然后再用一定的逻辑让它按照一定的顺序工作,这样就能完成人们给它的任务。也就是说,如果把CPU看作一个人,首先它要有正常的工作能力(既执行能力),然后又有足够的逻辑能力(能明白做事的顺序),最后还要听的懂别人的话(既指令集),才能正常工作。而这些集中在一起就构成了所谓的架构,它可以理解为一套工具方法规范的集合。不同的架构之间,工具可能不同,方法可能不同,规范也可能不同,这也造成了它们之间的不兼容——你给一个意大利泥瓦匠看一份中文写成的烹饪指南,他当然不知道应该干什么了。

如果还看不懂,没关系,我们继续。从CPU发明到现在,有非常多种架构,从我们熟悉的X86ARM,到不太熟悉的MIPSIA64,它们之间的差距都非常大。但是如果从最基本的逻辑角度来分类的话,它们可以被分为两大类,即所谓的复杂指令集精简指令集系统,也就是经常看到的“CISC”“RISC”。属于这两种类中的各种架构之间最大的区别,在于它们的设计者考虑问题方式的不同。我们可以继续举个例子,比如说我们要命令一个人吃饭,那么我们应该怎么命令呢?我们可以直接对他下达吃饭的命令,也可以命令他先拿勺子,然后舀起一勺饭,然后张嘴,然后送到嘴里,最后咽下去。从这里可以看到,对于命令别人做事这样一件事情,不同的人有不同的理解,有人认为,如果我首先给接受命令的人以足够的训练,让他掌握各种复杂技能(即在硬件中实现对应的复杂功能),那么以后就可以用非常简单的命令让他去做很复杂的事情——比如只要说一句吃饭,他就会吃饭。但是也有人认为这样会让事情变的太复杂,毕竟接受命令的人要做的事情很复杂,如果你这时候想让他吃菜怎么办?难道继续训练他吃菜的方法?我们为什么不可以把事情分为许多非常基本的步骤,这样只需要接受命令的人懂得很少的基本技能,就可以完成同样的工作,无非是下达命令的人稍微累一点——比如现在我要他吃菜,只需要把刚刚吃饭命令里的舀起一勺饭改成舀起一勺菜,问题就解决了,多么简单。

这就是复杂指令集精简指令集的逻辑区别。可能有人说,明显是精简指令集好啊,但是我们不好去判断它们之间到底谁好谁坏,因为目前他们两种指令集都在蓬勃发展,而且都很成功——X86是复杂指令集(CISC)的代表,而ARM则是精简指令集(RISC)的代表,甚至ARM的名字就直接表明了它的技术:Advanced RISC Machine——高级RISC机。

到了这里你就应该明白为什么RISCCISC之间不好直接比较性能了,因为它们之间的设计思路差异太大。这样的思路导致了CISCRISC分道扬镳——前者更加专注于高性能但同时高功耗的实现,而后者则专注于小尺寸低功耗领域。实际上也有很多事情CISC更加合适,而另外一些事情则是RISC更加合适,比如在执行高密度的运算任务的时候CISC就更具备优势,而在执行简单重复劳动的时候RISC就能占到上风,比如假设我们是在举办吃饭大赛,那么CISC只需要不停的喊吃饭吃饭吃饭就行了,而RISC则要一遍一遍重复吃饭流程,负责喊话的人如果嘴巴不够快(即内存带宽不够大),那么RISC就很难吃的过CISC。但是如果我们只是要两个人把饭舀出来,那么CISC就麻烦得多,因为CISC里没有这么简单的舀饭动作,而RISC就只需要不停喊舀饭舀饭舀饭OK

这就是CISCRISC之间的区别。但是在实际情况中问题要比这复杂许许多多,因为各个阵营的设计者都想要提升自家架构的性能。这里面最普遍的就是所谓的发射概念。什么叫发射?发射就是同时可以执行多少指令的意思,例如双发射就意味着CPU可以同时拾取两条指令,三发射则自然就是三条了。现代高级处理器已经很少有单发射的实现,例如Cortex A8A9都是双发射的RISC,而Cortex A15则是三发射。ATOM是双发射CISCCore系列甚至做到了四发射——这个方面大家倒是不相上下,但是不要忘了CISC的指令更加复杂,也就意味着指令更加强大,还是吃饭的例子,CISC只需要1个指令,而RISC需要5个,那么在内存带宽相同的情况下,CISC能达到的性能是要超过RISC的(就吃饭而言是5倍),而实际中CISCCore i处理器内存带宽已经超过了100GB/s,而ARM还在为10GB/s而苦苦奋斗,一个更加吃带宽的架构,带宽却只有别人的十分之一,性能自然会受到非常大的制约。为什么说ARMX86不好比,这也是很重要的一个原因,因为不同的应用对带宽需求是不同的。一旦遇到带宽瓶颈,哪怕ARM处理器已经达到了很高的运算性能,实际上根本发挥不出来,自然也就会落败了。

说到这儿大家应该也已经明白CISCRISC的区别和特色了。简而言之,CISC实际上是以增加处理器本身复杂度作为代价,去换取更高的性能,而RISC则是将复杂度交给了编译器,牺牲了程序大小和指令带宽,换取了简单和低功耗的硬件实现。但如果事情就这样发展下去,为了提升性能,CISC的处理器将越来越大,而RISC需要的内存带宽则会突破天际,这都是受到技术限制的。所以进十多年来,关于CISCRISC的区分已经慢慢的在模糊,例如自P6体系(即Pentium Pro)以来,作为CISC代表的X86架构引入了微码概念,与此对应的,处理器内部也增加了所谓的译码器,负责将传统的CISC指令拆包为更加短小的微码(uOPs)。一条CISC指令进来以后,会被译码器拆分为数量不等的微码,然后送入处理器的执行管线——这实际上可以理解为RISC内核+CISC解码器。而RISC也引入了指令集这个就逻辑角度而言非常不精简的东西,来增加运算性能。正常而言,一条X86指令会被拆解为24uOPs,平均来看就是3个,因此同样的指令密度下,目前X86的实际指令执行能力应该大约是ARM3倍左右。不过不要忘了这是基于同样指令密度下的一个假设,实际上X86可以达到的指令密度是十倍甚至百倍于ARM的。

最后一个需要考虑的地方就是指令集。这个东西的引入,是为了加速处理器在某些特定应用上性能而设计的,已经有了几十年的历史了。而实际上在目前的应用环境内,起到决定作用的很多时候是指令集而不是CPU核心。X86架构的强大,很多时候也源于指令集的强大,比如我们知道的ATOM,虽然它的X86核心非常羸弱,但是由于它支持SSE3,在很多时候性能甚至可以超过核心性能远远强大于它的Pentium M,这就是指令集的威力。目前X86指令集已经从MMX,发展到了SSEAVX,而ARM依然还只有简单而基础的NEON。它们之间不成比例的差距造成了实际应用中成百上千倍的性能落差,例如即便是现今最强大的ARM内核依然还在为软解1080p H.264而奋斗,但一颗普通的中端Core i处理器却可以用接近十倍播放速度的速度去压缩1080p H.264视频。至少在这点上,说PC处理器的性能百倍于ARM是无可辩驳的,而实际中这样的例子比比皆是。这也是为什么我在之前说平均下来ARM只有X86几十分之一的性能的原因。

打了这么多字,其实就是为了说明一点,虽然现在ARM很强大,但它距离X86还是非常遥远,并没有因为这几年的进步而缩短,实际上反而在被更快的拉大。毕竟它们设计的出发点不一样,因此根本不具备多少可比性,X86无法做到ARM的功耗,而ARM也无法做到X86的性能。这也是为什么ATOM一直以来都不成功的原因所在——Intel试图用自己的短处去和别人的长处对抗,结果自然是不太好的,要不是Intel拥有这个星球上最先进的半导体工艺,ATOM根本都不可能出现。而ARM如果尝试去和X86拼性能,那结果自然也好不到哪儿去,原因刚刚也解释过了。不过这也不意味着ARM以后就只能占据低端,毕竟任何架构都有其优点,一旦有应用针对其进行优化,那么就可以扬长避短。X86的繁荣也正是因为整个世界的资源都针对它进行了优化所致。只要能为ARM找到合适的应用与适合的领域,未来ARM也未必不可以进入更高的层次。