三生三世 CPU，ISA 架构变迁

开发人员基于指令集架构（ISA），使用不同的处理器硬件实现方案，来设计不同性能的处理器，因此 ISA 又被视作 CPU 的灵魂。我们可以将指令集架构理解为一个抽象层，它是处理器底层硬件与运行在硬件上的软件之间桥梁和接口。

图1 指令集架构

指令集架构 分为 复杂指令集 （Complex Instruction Set Computer，CISC ）和精简指令集 （Reduced Instruction Set Computer，RISC）架构。

CISC 架构不仅包含了处理器常用的指令，还包含了许多不常用的特殊指令；在 CPU 发展早期，CISC 曾是主流，可以使用较少的指令完成 *** 作；但随着越来越多的特殊指令被添加到 CISC 架构中，常用的典型程序运算过程中用到的指令仅占指令集的20%，80%的指令则很少用到，而这些很少用到的指令让 CPU 的设计变得极其复杂，大大增加了硬件设计的时间成本和面积开销。

RISC 架构只包含处理器常用的指令，对于不常用的 *** 作，通过执行多条常用指令的方式来达到同样的效果。因而在 RISC 架构诞生后，所有现代指令集都选择使用 RISC 架构。

自 CPU 于上世纪 60 年代问世，已发展几十年，有几十种不同的指令集架构相继诞生或消亡。这里挑选 8 个主流架构，简要概括如下表：

CPU主要有三大应用领域，即服务器领域、PC领域和嵌入式领域。

1) 移动领域 ：如智能手机，市场规模有望超过 PC 领域，几乎为 ARM Cortex-A 系列垄断；

2） 实时（Real Time）嵌入式领域 ：ARM 架构占较大市场份额；

3） 泛嵌入式领域 ：强调低功耗、低成本和高能效比，芯片主要是微控制器或微处理器，市场应用极为分散，但基数庞大，尤其在进入物联网时代。ARM Cortex-M 系列是市场主流

从 CPU 的应用场景，我们可以观察到 CPU 应用场景的拓宽和激增，有三个主流时代，从 PC 时代跨越到移动时代，再延展到物联网时代，恰好映射到 CPU 三大架构，权且看做 CPU 之三生三世。

一生一世：x86 架构是服务器领域/PC 领域的权贵。 Intel 和 AMD 是 x86 处理器芯片的主要提供商，历经数代发展，从最初的 16 位发展至如今的 64 位。Intel 通过内部“微码化”克服了 CISC 架构的部分缺点，并凭借不断提升的 CPU 设计水平和工艺制造水平，使其在性能上保持遥遥领先，加之 Wintel 的成功商业联盟，不仅在 PC 领域占据统治性地位，还击败了 IBM 和 Sun 公司，拥有超 90% 的服务器市场份额。

Intel/AMD 作为芯片公司，x86 架构是其生命线，授权费用极高，还可对有威胁的竞争对手停止授权。故而，采用 x86 架构开发被戏称为“权贵的 游戏 ”。

二生二世：ARM 架构是移动王者。 ARM 公司的商业模式以开放共赢为基本原则，通过基础架构授权、内核 IP 授权等方式盈利。ARM 积极推动生态建设，以 ARM 统一制定的标准规范将上下游软硬件企业纳入其生态系统。随着近 10 多年移动应用的快速发展，尤其是智能手机的兴起，ARM 迅速成为移动世界的王者。

进击的 ARM 不仅凭借 Cortex-A 系列在手持设备领域无敌，还以 Cortex-R 系列和 Cortex-M 系列在实时嵌入式领域和泛嵌入式领域成功部署。ARM 三大细分产品：

“移动王者” Cortex-A 系列 是一组用于高性能低功耗微控制器领域的 32 位和 64 位 RISC 处理器系列，内置存储器管理单元（Memory Management Unit，MMU），可支持 *** 作系统的运行。 32位系列 包括 Cortex-A5，Cortex-A7，Cortex-A8，Cortex-A9，Cortex-A12，Cortex-A15，Cortex-A17 和 Cortex-A32。 64位系列 包括 Cortex-A35，Cortex-A53，Cortex-A57，Cortex-A72，Cortex-A73。

值得一提的是，Cortex-A8 首批芯片量产时，3G 网络问世，踩上了智能手机的潮点；之后，Cortex-A9 催生了智能手机的井喷期，成为智能手机内核标配，自此，Cortex-A 系列进入年均一款的“下饺子”开挂模式。Cortex-A 系列的先机与成功，奠定了 ARM 在移动领域的王者地位，在移动领域构筑了城宽池深的软件生态环境。目前，ARM 架构已应用到全球 85% 的移动设备中，其中超过 95% 的智能手机处理器是基于 ARM 架构。

ARM Cortex-A 系列一统移动江山后，与高通、谷歌、微软等合作伙伴逐步形成强强生态联盟，将进军传统 x86 架构 PC 与服务器市场定为下一步发展目标。

“小个子有大力量”的 Cortex-M 系列 是一组用于低功耗微控制器领域的32位 RISC 处理器系列。包括 Cortex-M0，Cortex-M0+，Cortex-M1，Cortex-M4(F)，Cortex-M7(F)，Cortex-M423，Cortex-M33(F)。Cortex-M 系列的应用场景虽不像 Cortex-A 系列光芒四射，但在物联网设备激增的万物智联时代，需求量巨大。

自2007年，诸如意法半导体、恩智浦等多家半导体公司持续推出基于 Cortex-M 内核的微控制器；国内厂商也纷纷入场，抢夺物联网市场，特别是 2020 年Q4 至今的缺货潮中，国产替代风起云涌。众多微控制器厂家中，尤以意法半导体公司的 STM32 产品系列最全、生态建设最完善。

三生三世：粉墨登场的 RISC-V。 RISC-V 架构是一种全新的指令集架构，2010年始于加州大学伯克利分校。“V”除了表示从 RISC-I 开始的第五代指令架构外，还有变化（Variation）和向量（Vector）的含义。

2015年，RISC-V 基金会成立并开始正式运作。作为非盈利性组织，RISC-V 基金会负责维护标准的 RISC-V 指令集手册和架构文档，并促进 RISC-V 架构的发展，将其 推向开源，不仅成为一种完全开放的指令集，可以被任何学术机构或商业组织自由使用；还要成为一种真正适合硬件实现且稳定的标准指令集。

源起名校、兴于开源的 RISC-V 架构，相比 ARM 架构，具有灵活的扩展性，指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的实际应用场景，但并未对特定的微架构做过度设计，是第一个可根据具体场景选择适合的指令集的指令集架构。RISC-V 指令集可满足从微控制器到超级计算机等不同复杂程度的处理器设计需求，极大地拉低了 CPU 设计准入门槛，并显著降低芯片开发成本。

RISC-V 架构利于我国工业体系中“少数短板”之一 —— 芯片的发展，商业公司可基于开源架构开发其自主可控的商业 IP，如我国 RISC-V 系先行者平头哥和芯来 科技 。同时，该架构能够适应由 5G 和人工智能催生出的碎片化计算需求，有望成为物联网时代的主要抓手。

指令集架构的生态建设，需要付出昂贵的教育成本和接受成本，教育成本取决于人们的普遍熟悉程度，接受成本取决于人们愿意投入的时间。RISC-V 生态初成，海外有 RISC-V 基金会的积极推动，国内很多地区政府也将 RISC-V 指向为国产芯片架构发展的主要方向，并推出一系列鼓励措施。随着采用 RISC-V 架构的芯片越来越多，尤其是完全国产芯片的问世，产学研市场对 RISC-V 芯片应用有了越来越多的需求，中国 RISC-V 产业生态日渐成熟。

2012年3月14日，中国上海——ARM公司今天发布了一款拥有全球最低功耗效率的微处理器——ARM Cortex™-M0+处理器。支持ARMv6M 指令集，该款经过优化的Cortex-M0+处理器可针对家用电器、白色商品、医疗监控、电子测量、照明设备以及功耗与汽车控制器件等各种广泛应用的智能传感器与智能控制系统，提供超低功耗、低成本微控制器（MCU）。
ARM Cortex-M0+处理器为物联网发展奠定基础
作为ARM Cortex处理器系列的最新成员，32位Cortex-M0+处理器采用了低成本90纳米低功耗（LP）工艺，耗电量仅 9μA/MHz，约为目前主流8位或16位处理器的三分之一，却能提供更高的性能。
这种行业领先的低功耗和高性能的结合为仍在使用8位或16位架构的用户提供了一个转型开发32位器件的理想机会，从而在不牺牲功耗和面积的情况下，提高日常设备的智能化程度。
Cortex-M0+处理器的特点促成了智能、低功耗微控制器的面市，并为“物联网”中大量的无线连接设备提供高效的沟通、管理和维护。
低功耗联网功能深具潜能，可驱动各种节能和生活关键应用，包括从无线方式分析住宅或办公大楼性能与控制的感测器，到以电池运作、通过无线方式连接健康监控设备的身体感测器。而现有的8位或16位微控制器（MCU）缺少足够的智能和功能来实现这些应用。
半导体行业调研咨询公司The Linley Group高级分析师、《微处理器报告》（Microprocessor Report）高级编辑，Tom R Halfhill表示：“众所周知，不断改进功耗效率、安全性和便利性的物联网将最终改变世界。从自适应室内照明、在线视频游戏到智能传感器和电机控制，无处不在的网络连接几乎对任何事物都是有益的。但是，实现这一切需要极低成本、极低功耗并拥有良好性能的处理器。ARM Cortex-M0+处理器为轻量级芯片提供了32位的强劲性能，适合于各种工业与消费应用。”
ARM Cortex-M0+处理器是以通过硅晶验证（silicon-proven）、低功耗且成功获得超过50件来自半导体领先厂商授权合作的Cortex-M0处理器为基础，再重新设计加入多个重要新特性，包括单周期输入输出（IO）以加速通用输入输出（GPIO）和外围设备的存取速度、改良的调试和追踪能力、二阶流水线技术以减少每个指令所需的时钟周期数（CPI）、已经优化闪存访问，以进一步降低功耗。
Cortex-M0+处理器不仅延续了易用性、C语言编程模型的优势，而且能够二进制兼容已有的Cortex-M0处理器工具和实时系统（RTOS）。作为Cortex-M处理器系列的一员，Cortex-M0+处理器同样能够获得ARM Cortex-M生态系统的全面支持，而其软件兼容性使其能够方便地被移植到更高性能的Cortex-M3或Cortex-M4处理器。
率先获得Cortex-M0+处理器授权的厂商包括飞思卡尔半导体和恩智浦半导体。
飞思卡尔车用、工业与多元市场解决方案部门高级副总裁兼总经理Reza Kazerounian博士表示：“我们非常高兴能够作为主要合作伙伴与ARM加强合作关系，并第一个获得了ARM Cortex-M系列中体积最小、功耗最低的处理器产品的授权。基于Cortex-M0+处理器的新产品将使我们快速成长中的的Kinetis微控制器（MCU）产品线成为业内基于ARM Cortex架构的最具可拓展性的产品组合之一。Cortex-M0+处理器拥有代码复用能力、更高的性能以及优化的功耗效率，能够帮助设计者从已有的8位或16位架构转型使用最新的Kinetis器件，而无须牺牲成本和易用性。”
恩智浦半导体高性能混合信号事业部执行副总裁、总经理Alexander Everke表示：“恩智浦是业界唯一一家采用了完整ARM Cortex-M处理器系列的微控制器（MCU）供应商，我们感到非常兴奋能够将Cortex-M0+处理器加入我们的产品组合。Cortex-M0处理器产品组合已成功获得市场认可，今天已有超过70种元件类型大量出货中，而最新的Cortex-M0+处理器将进一步加速我们进入8位/16位市场。
ARM处理器部门执行副总裁兼总经理Mike Inglis表示：“Cortex-M0+处理器是ARM领跑低功耗领域的又一例证，同时再一次兑现了其推动行业向更低功耗方向发展的承诺。凭借在低功耗技术上的专业性，我们与合作伙伴为定义新处理器开展了紧密的合作，以确保对现今低成本设备的支持，并同时发掘物联网的潜在优势。”
相关ARM技术支持
Cortex-M0+处理器搭配Artisan®七轨SC7超高密度标准单元资料库和电源管理套件（PMK）最为适合，可充分发挥该处理器前所未有的低功耗特点。
Cortex-M0+处理器具备已整合Keil µVision IDE、调试器和ARM汇编工具的ARM Keil™微控制器开发套件的全面支持。作为全球公认的最受欢迎微控制器开发环境，MDK以及ULINK调试适配器系列均支持Cortex-M0+处理器的全新追踪功能。有了这些工具，ARM的合作伙伴能够获得紧密联系的应用开发环境的优势，并迅速了解Cortex-M0+处理器高性能和低功耗的特点。
这款处理器同时也拥有大量第三方工具和实时系统（RTOS）的支持，包括CodeSourcery, Code Red, Express Logic, IAR Systems, Mentor Graphics, Micrium和SEGGER。

ARM是一家好很厉害的公司 ，ARM处理器是英国Acorn有限公司设计的低功耗成本的第一RISC微处理器。全称为Advanced RISC Machine。ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集，一般来讲比等价32位代码节省达35%，却能保留32位系统的所有优势。当然这家公司不生产产品，它是做架构设计的，ARM架构，曾称进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine）更早称作Acorn RISC Machine，是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构。还有基于ARM设计的派生产品，重要产品包括Marvell的XScale架构和德州仪器的OMAP系列。ARM家族占比所有32位嵌入式处理器的75%，成为占全世界最多数的32位架构。当然现在已经不只是32位了。

ARM是世界上最具影响力的芯片技术提供商之一，主要从事低费用、低功耗、高性能芯片研发，全世界99%的智能手机和平板电脑都采用ARM架构。所有的iPhone和iPad都使用ARM芯片，多数Kindle阅读器和Android设备也都采用这一架构。这点苹果三星能比华为好到哪里去呢？而现在其实可以说ARM是全球唯一认可的手机芯片架构标准制定商。

ARM虽然没有直接制造产品，但使用ARM架构的芯片却无处不在。智能手机、智能电视、可穿戴设备、移动基站、企业服务器、医疗器械、智能驾驶以及物联网等其他科技领域，ARM均有涉猎。

在移动终端领域，包括高通、三星、联发科等在内的全球1384家移动芯片制造商都采用了ARM的架构，全球超过85%的智能手机和平板电脑的芯片都采用了ARM架构的处理器，超过70%的智能电视也在使用ARM的处理器。成立至今，基于ARM架构的芯片出货量累计高达950亿，覆盖了全球80%的人口。

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