微机原理ARM与X86对比

ARM与x86两大CPU的对比
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ARM
性能
X86架构是X86指令集，它属于CISC指令集。X86结构的电脑无论如何都比ARM结构的系统在性能方面要快得多、强得多。X86的CPU随便就是1G以上、双核、四核大行其道，通常使用45nm(甚至更高级)制程的工艺进行生产。
x86架构处理器是采用CISC复杂指令集架构的处理器的代表。在CISC处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。
ARM主板的功耗极低，EICB系列主板功耗整体也只有1W左右。
ARM的RISC指令优化强在确定次序的执行，并且依靠多核而不是单核多线程来执行，这样容易保持子模块和时钟信号的关闭，显然就更省电。
ARM的优势是功耗低，其实低功耗还意味着：
1)稳定性高：因为功耗越高电子元器件的稳定性和可靠性越差，对低功耗的产品只要选择好外围元件的品质，系统的稳定性不会有太大问题。
扩展能力
X86结构的电脑采用“桥”的方式与扩展设备(如：硬盘、内存等)进行连接，而且x86结构的电脑出现了近30年，其配套扩展的设备种类多、价格也比较便宜，所以x86结构的电脑能很容易进行性能扩展，如增加内存、硬盘等。
ARM结构的电脑是通过专用的数据接口使CPU与数据存储设备进行连接，所以ARM的存储、内存等性能扩展难以进行(一般在产品设计时已经定好其内存及数据存储的容量)，所以采用ARM结构的系统，一般不考虑扩展。基本奉行“够用就好”的原则。
ARM实际上在CPU芯片中已经整合了几乎所有功能，几乎所有线路按原理图直接拉出就可以了，需要扩展的部分一般不多，所以其硬件开发成本会比较低，通常三五万就可以了。
发展趋势
1“定制化”成趋势
近年来，“定制化服务器”成为新的应用趋势，这种服务器主要面向特殊的应用，比如需要高密度部署的云计算中心、Web2.0、电子商务等互联网应用，以及HPC应用等。这种服务器特点比较鲜明，采用多节点的高密度设计，外形介于机架和刀片之间，比如1U双节点、2U四节点、4U八节点等。节点之间互相独立，共享机箱和电源，因而降低了硬件成本。 目前多个厂商已经参与到“定制化”服务器阵营中，如IBM、HP、Dell、超微、联想等，这带来了x86发展的一个新趋势——硬件设计上以应用为中心，专“机”专“用”，“定制化”所代表的这种“以应用为中心”的设计理念，传达出x86演进的一种趋势。
优点：
能够有效缩短新指令的微代码设计时间，允许设计师实现CISC体系机器的向上相容。新的系统可以使用一个包含早期系统的指令超集合，也就可以使用较早电脑上使用的相同软体。另外微程式指令的格式与高阶语言相匹配，因而编译器并不一定要重新编写。
缺点：
（1）可变的指令长度X86指令的长度是不定的，而且有几种不同的格式，结果造成X86 CPU的解码工作非常复杂，为了提高CPU的工作频率，不得不延长CPU中的流水线，而过长的流水线在分支预测出错的情况下，又会带来CPU工作停滞时间较长的弊端。
价格
软件开发成本低，硬件的开发、制造、及应用成本高。
X86的外围线路很多，需要相当经验的工程师，而且还有BIOS等设计，所以X86主板的设计费用会比较高，通常要二三十万。
X86在硬件方面的应用成本比ARM高得多。无论Arm或X86主板其制造成本都是由元件和加工费构成，通常一片ARM的主板价格与一片X86主板的价格差不多，但ARM是一片可以独立使用的产品，但x86主板通常还要加上：CPU、内存、硬盘甚至还有显卡。另外X86还要配上一个电源，这个电源比ARM得电源要贵很多。
4)功耗低电池的续航时间长。
5)功耗低对抗环境伤害的能力强：低功耗产品因为不用考虑散热，可以将产品密封保护起来，但高功耗产品必须散热，甚至需要风扇帮助散热，这样必然使很多的元件和线路裸露在空气中，被空气中的尘埃、湿气、酸碱物质等腐蚀。
体积
为了提高X86架构的处理器的性能，而出现像寄存器重命名、缓冲器巨大、乱序执行、分支预测、X86指令转化等等现象，都使得处理器的核心面积变得越来越大，这也限制了处理器工作频率的进一步提升，设计成本增加，此外，处理器所集成的这些庞大数目的晶体管都只是为了解决X86指令的问题。X86指令集给VLSI设训一带来很人的设训一负担，不利于单片集成。
相比而言，以RISC为架构体系的ARM指令集的指令格式统一，种类比较少，寻址方式也比复杂指令集少。当然处理速度就提高很多。ARM处理器都是所谓的精简指令集处理机（RISC）。其所有指令都是利用一些简单的指令组成的，简单的指令意味着相应硬件线路可以尽量做到最佳化，而提高执行速率，相对的使得一个指令所需的时间减到最短。而因为指令集的精简，所以许多工作都必须组合简单的指令，而针对较复杂组合的工作便需要由编译程式(compiler)来执行，而CISC体系的X86指令集因为硬体所提供的指令集较多，所以许多工作都能够以一个或是数个指令来代替，compiler的工作因而减少许多。
功耗
x86电脑发展的方向和模式，使其功耗一直居高不下，一台电脑随便就是几百瓦，即使是号称低功耗节能的手提电脑或上网本，也有十几、二十多瓦的功耗，这与ARM结构的电脑就无法相比。
ARM的功耗低的原因是乱序执行能力不如X86。用户在使用电脑的时候，他的操作是随机的，无法预测的，造成了指令也无法预测。X86为了增强对这种情况下的处理能力，加强了乱序指令的执行还增强了单核的多线程能力。这样做的缺点就是，无法很有效的关闭和恢复处理器子模块，因为一旦关闭，恢复起来就很慢。为了保持高性能，就不得不让大部分的模块都保持开启，并且时钟也保持高速切换，直接后果就是耗电高。
1.ARM将推出64-bit处理器
ARM公司目前已经成功推出了64-bit处理器设计，该处理器能够让ARM的合作伙伴设计出基于该平台的真正的多核心服务器解决方案，能够支持4G及更高的内存，从理论上能够与AMD Opteron和Intel Xeon处理器展开竞争。
2.多核ARM处理器
ARM的应用处理器Cortex-A9可以组成成多核处理器，Cortex-A9微体系结构既可用于可伸缩的多核处理器（Cortex-A9 MPCore™多核处理器）。目前已经有智能手机搭载了多核Cortex-A9。
3.windows将兼容ARM架构
根据国外许多大媒体的报导，微软也许会在CES带给整个PC产业极大的冲击，就是推出通吃PC与ARM架构的Windows版本。
6．指令长度固定；
7．流水线处理方式
8．Load_store结构
缺点：
多指令的操作使得程式开发者必须小心地选用合适的编译器，而且编写的代码量会变得非常大。另外就是RISC体系的处理器需要更快记忆体，这通常都集成于处理器内部，就是L1 Cache（一级缓存）。
内存带宽束缚ARM处理器性能，ARM的处理器内存带宽实际远远落后于X86架构。X86处理器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ARM处理器则是将复杂度交给了编译器，牺牲了程序大小和指令带宽，换取了低功耗的硬件实现
操作系统的兼容性
X86系统由微软及Intel构建的Wintel联盟一统天下，垄断了个人电脑操作系统近30年，形成巨大的用户群，也深深固化了众多用户的使用习惯，同时x86系统在硬件和软件开发方面已经形成统一的标准，几乎所有x86硬件平台都可以直接使用微软的视窗系统及现在流行的几乎所有工具软件，所以x86系统在兼容性方面具有无可比拟的优势。
ARM指令集可以人人简化处理器的控制器和其他功能单元的设计，不必使用大量专用寄存器，特别是允许以硬件线路来实现指令操作，从而节约处理器的制造成本，核心面积小
ARM指令集还加强了并行处理能力，非常适合于采用处理器的流水线、超流水线和超标量技术，从而实现指令级并行操作，提高处理器的性能而且随着VLSI (Very Large Scale Integra-tion超人规模集成电路)技术的发展，整个处理器的核心甚至多个处理器核心都可以集成在一个芯片上
软件开发成本高，硬件的开发、制造、及应用成本低。
Arm的操作系统很小(精简)不可能带很多工具，通常基于Arm的软件大多用C或JAVA开发，其成本会比基于X86系统的高。而且对大多数ARM而言，因其操作系统不一样，软件业不能在两个系统中自由互换使用，但一般来说：用C或JAVA编写的软件只需在ARM平台的操作系统中编译一下就可以移植过去。但对Android系统开发的软件，只要能在某台Arm设备中运行，就可以在另一台基于同样系统的设备中运行。
除了具备上述RISC的诸多特性之外，可以总结ARM指令集架构的其它一些特点如下：
优点：
1．体积小，低功耗，低成本，高性能
2．支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；
3．大量使用寄存器，指令执行速度更快；
4．大多数数据操作都在寄存器中完成；
5．寻址方式灵活简单，执行效率高；
高功耗导致了一系列X86系统无法解决的问题出现：系统的续航能力弱、体积无法缩小、稳定性差、对使用环境要求高等问题。从这里我们可以看到x86系统与ARM系统是在两个完全不同领域方面的应用，他们之间根本不存在替换性，在服务器、工作站以及其他高性能运算等应用方面，是可以不考虑功耗和使用环境等条件时，X86系统占了优绝对优势;但受功耗、环境等条件制约且工作任务固定的情况下ARM就占有很大的优势，在手持式移动终端领域，X86的功耗更使他英雄毫无用武之地。
2．x86服务器更注重“软实力”
当x86服务器核心更多、速度更快、带宽更足、并加入之前从未有过的RAS特性，性能和可靠性直逼RISC的时候，x86用户们所需要的是管理。云计算等大规模应用为x86服务器提供了新的发展机会，大型、超大型数据中心的出现让客户对服务器的管理能力有了更高的要求，服务器的“软实力”成为一项更加重要的指标，甚至超过了硬件。另一方面，x86服务器发展至今，虽然在硬件设计上各家厂商都在追求差异化，但由于标准和成本所限，在有限的空间中发挥并不容易。而在服务器的“软实力”方面，比如管理功能，各厂商却更能够体现出设计实力，增强产品竞争力。“自动化、智能化”成为x86服务器的又一新趋势。
2)散热成本低和可以考虑更小的产品体积：对高功耗的产品不可避免要考虑散热问题，而散热设备(或器件)的存在，有制约了产品的体积，对某些场合的应用构成致命的制约。但ARM的功耗<1W，完全不用考虑散热问题。
3)功耗低对供电电源的要求低：几乎所有电子产品，(在同等条件下)功耗越高对电源的要求越高，电源的成本就越高。
ARM系统几乎都采用Linux的操作系统，而且几乎所有的硬件系统都要单独构建自己的系统，与其他系统不能兼容，这也导致其应用软件不能方便移植，这一点一直严重制约了ARM系统的发展和应用。GOOGLE开发了开放式的Android系统后，统一了ARM结构电脑的操作系统，使新推出基于ARM结构的电脑系统有了统一的、开放式的、免费的操作系统，为ARM的发展提供了强大的支持和动力。
（2）寄存器的贫乏X86指令集架构只有8个通用寄存器，而且实际只能使用6个。这种情况同现代的超标量CPU极不适应，虽然工程师们采用寄存器重命名的技术来弥补这个缺陷，但造成了CPU过于复杂，流水线过长的局面。
（3）内存访问X86指令可访问内存地址（通过对逻辑地址的寻址），而现代RISC CPU则使用LOAD/STORE模式，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计算。在目前CPU的速度是内存速度的5倍或5倍以上的情况下，后一种工作模式才是正途。
（4）芯片变大所有用于提高X86 CPU性能的方法，如寄存器重命名、巨大的缓冲器、乱序执行、分支预测、X86指令转化等等，都使CPU的芯片面积变得更大，也限制了工作频率的进一步提高，而额外集成的这些晶体管都只是为了解决X86指令的问题
ARM架构是ARM指令集，属于RISC指令集。ARM方面CPU通常是几百兆，最近才出现1G左右的CPU，制程通常使用不到65nm制程的工艺，可以说在性能和生产工艺方面ARM根本不是X86结构系统的对手。