嵌入式学习笔记--前言：常见基本概念掌握

前言

先了解一下基本概念：ARM,X86,X64,RISC,CISC

目录

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核心概念与关系总览

首先，我们用一个 “造车哲学与具体车型” 的比喻来建立一个宏观印象：

  • CISC 与 RISC：这是两种不同的 “造车哲学” 或 “设计理念”。
    • CISC 像是一个 “多功能工具车” 的设计理念，追求一个指令能完成复杂的工作。
    • RISC 像是一个 “模块化赛车” 的设计理念，追求每个指令都极其简单快速，通过组合简单指令来完成复杂工作。
  • x86, x64, ARM, RISC-V：这些是具体的 “汽车品牌和型号”，它们基于上述的哲学设计出来。
    • x86/x64 是基于 CISC哲学 的代表性处理器架构（主要由Intel和AMD制造）。
    • ARM 和 RISC-V 是基于 RISC哲学 的代表性处理器架构。

它们之间的关系可以用下图来概括：

设计哲学 (ISA类型)
    |
    |--- CISC (复杂指令集) --- 主要代表：x86, x64 (是x86的64位扩展)
    |
    |--- RISC (精简指令集) --- 主要代表：ARM, RISC-V, MIPS, PowerPC等

1. CISC (复杂指令集)

概念/定义

CISC 的设计目标是用最少的指令来完成计算任务。为了实现这个目标，CISC 架构的单个指令非常复杂，功能强大。一条指令可能包含多次内存访问、算术运算和逻辑操作。

发展历程

  • 起源：在计算机早期（1960-1970年代），内存非常昂贵且容量极小。为了减少程序占用的内存空间，设计师倾向于让每条指令做更多的事情，从而减少程序总指令数。
  • 代表：Intel的 x86 架构是CISC最典型的代表，源于1978年的8086 CPU。

优缺点

  • 优点：
    • 代码密度高：程序占用的内存空间小（在当时是巨大优势）。
    • 更接近高级语言：复杂指令使得编译器的工作更容易。
  • 缺点：
    • 硬件设计复杂：解码和执行复杂指令的电路非常复杂，功耗大。
    • 指令执行周期不统一：有的指令需要1个时钟周期，有的可能需要几十个，不利于流水线并行处理。
    • 功耗高：复杂的控制逻辑通常导致更高的功耗。

2. RISC (精简指令集)

概念/定义

到了1980年代，内存成本下降，人们发现CISC的许多复杂指令实际上很少被使用。于是RISC哲学被提出。其核心思想是：只保留使用频率最高的简单指令，让所有指令都在一个时钟周期内完成，并且指令格式规整统一。

发展历程

  • 起源：1980年由加州大学伯克利分校的David Patterson等人提出。这是一种“回归简单”的设计革命。
  • 核心特征：
    1. 指令数量少，格式固定。
    2. 只提供Load/Store指令访问内存，其他指令只操作寄存器。
    3. 采用深流水线技术，提高并行度。
  • 代表：ARM, RISC-V, MIPS, SPARC。

优缺点

  • 优点：
    • 硬件设计简单：控制单元简洁，芯片面积小，功耗低。
    • 高性能：规整的指令集便于使用流水线、超标量等并行技术，平均执行效率高。
    • 功耗效率高：非常适合对功耗敏感的移动、嵌入式设备。
  • 缺点：
    • 代码密度较低：完成同样功能可能需要更多条指令，程序体积相对较大（但现代压缩技术已很大程度上弥补了这一点）。

3. 具体架构详解

现在我们来看看基于这两种哲学的具体“车型”。

x86 / x64

  • 所属阵营：CISC
  • 定义：
    • x86：泛指Intel从8086开始的一系列32位微处理器架构。
    • x64 (也叫 x86-64, AMD64)：是x86架构的64位扩展，由AMD首先设计，后来成为行业标准。它完全兼容32位x86。
  • 特点：
    • 统治地位：在个人电脑（PC）、服务器领域占据绝对主导地位。
    • 闭源与授权：x86架构由Intel和AMD掌握，其他公司很难获得授权生产兼容CPU。
    • 高性能：经过几十年的优化，性能非常强大，但功耗也相对较高。
    • 复杂性与历史包袱：为了保持向后兼容，架构中保留了大量历史指令，变得极其复杂。

ARM

  • 所属阵营：RISC (尽管现代ARM也加入了一些复杂指令，但其核心哲学仍是RISC)
  • 定义：由ARM公司设计的精简指令集架构。ARM公司不生产芯片，只设计IP核（架构蓝图），然后将设计授权给其他公司（如苹果、高通、三星等）生产芯片。
  • 特点：
    • 能效比极高：最大的优势，非常适合移动设备（手机、平板）、嵌入式系统、物联网设备。
    • 授权模式灵活：客户可以购买现成的核心设计，也可以购买架构授权，自行修改和设计（如苹果的A/M系列芯片）。
    • 生态系统庞大：在移动端占据垄断地位，并开始进军PC和服务器市场。

RISC-V

  • 所属阵营：RISC
  • 定义：一个基于RISC原则的开源、免费的指令集架构。由加州大学伯克利分校在2010年创建，旨在成为一个可以被任何人自由使用和修改的通用架构。
  • 特点：
    • 开源与自由：这是其最革命性的特点。任何公司、个人都可以免授权费地使用和贡献，没有“卡脖子”风险。
    • 模块化与精简：采用“基础指令集+标准扩展”的模式，可以根据应用场景（如嵌入式、AI计算）灵活裁剪或增加功能，没有历史包袱。
    • 新兴与发展中：虽然相对年轻，但发展迅猛，在嵌入式、物联网、专用加速器等领域前景广阔，被认为是未来的重要力量。

总结与对比表格

CISC与RISC

特性 CISC (哲学) RISC (哲学)
核心思想 指令少而功能强 指令多而简单，规整统一
指令复杂度 高，变长 低，定长
内存访问 指令可直接操作内存 只有Load/Store指令可访问内存
硬件复杂度 高，微码控制 低，硬连线控制
功耗 通常较高 通常较低
代码密度 高 较低（可压缩）
代表架构 x86, x64 ARM, RISC-V, MIPS

x86/x64, ARM,RISC-V

特性 x86/x64 ARM RISC-V
设计哲学 CISC RISC RISC
商业模式 闭源，授权严格 授权IP核 完全开源免费
主要应用 桌面PC，服务器 移动设备，嵌入式 嵌入式，IoT，新兴领域
最大优势 性能，软件生态 能效比，移动生态 开放性，可定制性
历史包袱 重，需兼容 中等，有演进 无，轻装上阵

给你的学习建议

  1. 先理解哲学，再记忆架构：牢牢抓住CISC和RISC这两种核心设计思想的区别，这是理解一切的基础。
  2. 联系应用场景：
    • 当你用Windows/Mac电脑时，你接触的是 x86/x64。
    • 当你用手机、平板或大多数智能家电时，你接触的是 ARM。
    • 当你学习一些新兴的开源硬件或深入嵌入式开发时，你可能会遇到 RISC-V。
  3. 实践出真知：如果你有条件，可以买一块基于ARM Cortex-M系列（如STM32）的开发板和一块基于RISC-V（如GD32V或K210）的开发板，亲自写程序、看手册，感受它们在架构上的异同。

希望这份详细的讲解能帮助你理清思路，祝你嵌入式学习之路顺利！

posted @ 2025-10-30 20:29  慕迟离  阅读(10)  评论(0)    收藏  举报