ARM vs. RISC-V vs. x86 简单指南

简介

我们一直在谈论 树莓派 5 当然是在 PiCockpit。前几天，我发现了一个关于 Raspberry Pi 5 的讨论，主要集中在 Pi 的 ARM 架构以及该架构与 RISC-V 架构的比较上。多年来，人们一直在谈论 Raspberry Pi 与 x86 的兼容性。但 RISC-V Pi 又如何呢？

这一点尤其有趣，因为树莓派是 RISC-V 国际.

事实上，Arduino 也是如此。

那么 RISC-V 架构芯片在 Raspberry Pis 上的应用前景广阔.不过，我不会对 x86 Raspberry Pi 抱有太大希望。

毕竟 在 Raspberry Pi 最近发布的讨论中戈登-霍林沃思说："人们会说：'你能做到吗？ 你能制作 x86 Raspberry Pi 吗？'这就像，'哦，上帝，这会是一个很大的工作。你可以，但是......"

因此，我认为是时候回顾一下 RISC-V、ARM 和 x86 架构之间的一些主要异同点了。我将介绍它们的历史、优点和缺点，以及它们之间的区别。

最后，你会明白为什么制作 x86 Raspberry Pi 要花费这么多功夫，但制作 RISC-V Raspberry Pi 也不是不可能。

概述

现在，让我们逐一讨论这些要点。

起源

让我先从 x86 开始，因为它是三种架构中最古老的一种。x86 架构可追溯到 1978 年，当时英特尔推出了 8086 系列。x86 架构是当时炙手可热的 CISC 架构。如今，x86 架构仍由英特尔和 AMD 控制。

7 年后，Acorn 计算机有限公司发布了 ARM1，ARM 架构由此起步。 如今，Acorn 计算机有限公司已不复存在，但其 ARM 架构通过 Arm 有限公司得以延续。Arm Ltd. 现在将 ARM 架构授权给其他公司使用。

相比之下，RISC-V 则非常新，2010 年才在加州大学伯克利分校诞生。 2015 年，多家科技公司（从 IBM 到谷歌再到 Nvidia）联合成立了 RISC-V 基金会。2020 年，由于地缘政治问题，RISC-V 基金会迁往瑞士，成为 RISC-V 国际组织。

指令集

首先，让我澄清一下 RISC 和 CISC 的区别。

RISC 处理器使用经过优化的小型指令集，每条指令只需一个时钟周期，因此执行速度更快，可预测性更高。

相比之下，CISC 处理器的指令集更大、更多样化，通常包括可能需要多个时钟周期的复杂指令，因此在处理各种任务时可能会更慢，但性能更全面。

因此，RISC-V 显然是基于 RISC 的。但它的与众不同之处在于它是开源的。

在他们 2014 年的论文中 指令集应该是免费的：RISC-V 案例Krste Asanović 和 David A. Patterson 将 RISC-V 与 Linux 进行了比较。他们的想法是，RISC-V 是一种完全开源的指令集架构。因此，人们应该能够操纵它、使用它并分享它。

阿萨诺维奇和帕特森认为，这可以推动创新、提高透明度和降低成本。

现在我应该提到，尽管 RISC-V 本身是开源的，但 RISC-V 的具体实现既可以是开源的，也可以是专有的。

ARM 指令也是基于 RISC 的。不过，由于 Arm Ltd. 授权使用该架构，因此它们并不是开源的。正如 Asanović 和 Patterson 所说："ARM许可证甚至不能让你设计ARM内核，你只能使用他们的设计。虽然事情并非如此简单，但一般情况就是如此。

在上文，我说过 x86 架构是基于 CISC 的。这是事实，但我要提到的是，自上世纪 90 年代以来，x86 处理器还包含了用于并行处理任务的 SIMD（单指令、多数据）指令。这使得多核处理器也能快速运行。

毕竟，世界上速度最快的超级计算机 Frontier 就是基于 x86 处理器的。

但世界上速度第二快的超级计算机 Fugaku 是基于 ARM 的。

很多人认为，RISC 和 CISC 之间的区别在今天并不十分重要。他们说，由于现代处理器的功能非常强大，这些指令集之间的差异几乎已经消失。然而，阿萨诺维奇和帕特森在呼吁采用 RISC-V 时却认为，"已经有几十年没有任何新的 CISC ISA 取得成功了"，因此采用基于 RISC 的架构更有意义。

字节顺序

字节序是指多字节数据类型存储在计算机内存中的字节顺序。

在小二进制系统中，最小有效字节存储在最低内存地址处，而在大二进制系统中，最大有效字节存储在最低地址处。

当你想在处理器之间交换数据时，端位是非常重要的。如果从大端系统向小端系统发送信息，如果转换不当，数据很容易损坏。

RISC-V 通常是小字节顺序。不过，如果你想让 RISC-V 采用大位元字节顺序，也可以进行配置。

ARM 架构既可以是小前端（little-endian）也可以是大前端（big-endian），具体取决于具体实现。与 RISC-V 一样，您也可以将 ARM 芯片配置为 big-endian。

Raspberry Pi 默认为小二进制。你可以自己到 Raspberry Pi 上打开终端并运行以下命令来验证：

lscpu

x86 架构是小endian 架构。但与 RISC-V 和 ARM 架构不同的是，你无法改变这一点。小endian 是 x86 架构的一个特点。

应用

我想回过头来谈谈阿萨诺维奇和帕特森的文章。虽然这篇文章发表于 2014 年，但它提出了一个非常重要的观点。他们断言："虽然80×86赢得了PC战争，但RISC在后PC时代的平板电脑和智能手机中占据主导地位；2013年，ARM的出货量超过100[亿]台，而80×86只有3[亿]台。

这是一个巨大的差异，但也说明了架构的应用有助于确定其重要性。这就是为什么在 2020 年，苹果公司为其新电脑推出 M1 芯片会引起如此大的轰动。如果苹果从 x86 转向 ARM，那么这对 x86 的未来意味着什么？

尽管如此，x86 仍在计算机市场占据主导地位。台式机、笔记本电脑和服务器仍然主要依赖 x86 架构。

而 ARM 通常用于智能手机和平板电脑。当然，还有不起眼的 Raspberry Pi。但是 看来 ARM 也可能开始接管计算机世界了.

RISC-V 显然希望从 ARM 架构中分得一杯羹，但它在未来能做什么方面仍保持开放态度。大学和企业都在投资 RISC-V 并密切关注其发展。

如果 ARM 已经开始削弱 x86，那么 RISC-V 是否也会开始削弱 ARM？

许可模式

三种架构中限制最多的是 x86 架构。如上所述，实际上只有两家公司生产 x86 架构芯片--英特尔和 AMD。这些芯片不可定制，而且架构完全是专有的。

ARM 架构的工作方式与此不同，因为它采用的是许可模式。典型的 ARM 许可不允许您创建 ARM 架构设计。但也有例外，因为苹果公司的 M1 芯片就是按照他们的要求定制的。

RISC-V 架构是开放源码和免版税的，任何人都可以设计和制造 RISC-V 处理器，而无需支付许可费。它就像 ISA 中的 Linux。

有趣的是，英特尔和 AMD 都是 RISC-V 国际组织的成员。因此，它们显然也认为为 RISC-V 架构做出贡献很有价值。

生态系统

RISC-V 的生态系统发展迅速，许多公司和研究人员都为开源项目做出了贡献，并开发了基于 RISC-V 的产品。

虽然软件生态系统目前还不是很庞大，但它正在不断发展壮大。您可以通过 RISE 项目 (RISE 代表 RISC-V 软件生态系统）。

说到 ARM 和 x86，它们都在各自的市场中占据主导地位。两者的生态系统都非常完善和庞大。

这是 RISC-V 最明显的缺点之一。RISC-V 的采用范围远不如其他两种，竞争也非常激烈。

运行中的 RISC 和 CISC

在这段精彩的视频中 填空]程序员您可以在汇编代码的层面上清楚地看到 RISC 和 CISC 是如何工作的。

在这里，您可以详细了解 RISC 和 CISC 的区别。

在 ARM 和 RISC-V 上，汇编代码的行数较短，但数量较多。在 x86 上，汇编代码的行数更复杂，但数量更少。

视频介绍了 GCC 编译器和 Clang 编译器如何将 C++ 代码转换为 ARM vs. RISC-V vs. x86_64 这三种 ISA 的汇编。快来看看吧

总结

我们最近发表了一篇文章，比较了 配备 Raspberry Pi 5 和 Rock 5 Model B 的 Orange Pi 5 Plus.有趣的是，虽然这三款 SBC 都是基于 ARM 的，但 Radxa 其实还有一款 x86 型号，名为 Rock Pi X.

有人担心，更广泛地采用 RISC-V 会造成更多的碎片化。这与 Linux 的比较正好吻合。如今有多少 Linux 发行版？不过，RISC-V 社区正在积极制定标准，以尽量减少碎片化和兼容性问题。

许多人（包括一些反对者）认为 RISC-V 是将芯片架构推向未来的一种方式。

当然，随着国与国之间贸易战的升温，事情变得更加棘手。Arm Ltd. 总部位于英国，而英特尔和 AMD 总部位于美国。中国和俄罗斯等国转向 RISC-V 也就不足为奇了。

不过，也有人认为 RISC-V 注定要失败。他们认为，RISC-V 不会仅仅是 原因 碎片化，而是 RISC-V 已经 是 支离破碎。因此，它将无法启动。

更新e (十一月2023 年 12 月 6 日):Arm Holdings 刚刚宣布，他们已经收购了树莓派有限公司（Raspberry Pi Ltd.）的少数股份。目前尚不清楚这对未来意味着什么。更多信息，请点击此处：

• 树莓派调度：Arm 投资树莓派

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