【SoC基础】ARM和RISC-V对比

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什么是处理器架构？

处理器架构是指处理器的设计框架和规范，它决定了处理器的性能、功能、功耗以及与其他硬件组件的协同工作方式，就像是处理器的 “蓝图”，主要包含以下关键内容：

指令集架构（ISA）：指令集架构是处理器架构的核心，它规定了处理器能够识别和执行的指令集合。比如 x86 指令集、ARM 指令集、RISC-V 指令集等。不同指令集架构在指令数量、格式、功能等方面存在差异。x86 指令集历史悠久，指令丰富复杂，主要用于 PC 和服务器领域；ARM 指令集则精简高效，侧重于低功耗和移动应用场景；RISC-V 指令集开源且可扩展，允许开发者根据特定需求定制指令集。

目前市面上的CPU类别主要有两大阵营：
1、一个是Intel、AMD为首的复杂指令集CPU；
2、另一个是以IBM、ARM为首的精简指令集CPU；
两个不同品牌的CPU，其产品的架构也不相同，例如，Intel、AMD的CPU是X86架构的，而IBM公司的CPU是PowerPC架构，ARM公司是ARM架构 。

1. RISC-V

32位整数指令集-RV32I
六种指令类型
R型：寄存器类型指令，add/sub/xor/or/and/sll/srl/sra/slt/sltu
S型：存储store，sb/sh/sw
B型：分支Branch，beq/bne/blt/bge/bltu/bgeu
U型：无条件跳转，lui/auipc
J型：跳转Jump，jal/jalr
I型：立即数，addi/xori/ori/andi/slli/srli/srai/slti/sltiu

指令格式：将有下划线的字母从左到右连接起来，即可组成完整的 RV32I指令集。
opcode：指令操作码
rs：源寄存器
rd：目的寄存器
imm：立即数
funct：功能

2. ARM 架构

发展史

ARM的前身是艾康电脑公司(Acorn)，于1978年剑桥创立。也就是说这个时候的ARM只是一家公司，且公司名字还不是ARM。

1985年，苹果电脑公司开始与艾康电脑合作开发新版的ARM核心。这个时候ARM是电脑的CPU的一种类型。
1985年，艾康电脑研发了第一颗使用精简指令集的处理器芯片，称为Reduced instruction set computer，简称RISC。也叫作Acorn RISC Machines，检简称ARM，这是ARM这个名字的第一次出现。
1990年，艾康电脑出现财务危机，受到苹果公司和VLSI的投资，分割出独立子公司Advanced RISC Machines（ARM），高级精简指令集机器，简称为ARM，这里的就是我们常说的ARM公司。这个时候是才有了ARM公司。

商业模式

ARM只负责设计IC，并且出卖自己的设计IP（版权）。ARM自己不生产芯片，而是把设计IP授权给其他半导体厂商来生产芯片，
严格来说，ARM并不是一家半导体厂商。

ARM在中国授权厂商：华为海思、全志、瑞芯、联发科（中国台湾）

系列产品

ARM公司的单片机主要是Cortex-M系列的，譬如M0、M3、M4（M7）
ARM单片机特点是32位高性能、架构合理、功耗低，主流的发展方向。

以下是ARM Cortex - M系列从M0到M7及M23、M33、M55的特点和应用场景总结表格：

内核型号	特点	应用场景
Cortex - M0	3级流水线，指令集精简，成本低、功耗低	传感器节点、智能卡、小型消费类电子简单控制
Cortex - M0+	基于M0优化，低功耗设计更好，中断响应增强，代码执行效率提高	可穿戴设备、无线传感器网络节点
Cortex - M3	3级流水线+哈佛架构，支持Thumb - 2指令集，有硬件除法器、单周期乘法，支持NVIC	工业控制、汽车电子、消费电子等实时性要求高场景
Cortex - M4	在M3基础上增加DSP指令和FPU，增强信号处理和数学运算能力	数字音频、视频处理，电机控制等
Cortex - M7	超标量流水线，支持双指令发射，高时钟频率，强运算能力，FPU支持单双精度浮点，DSP能力强，缓存和内存管理丰富	高端工业控制、ADAS、无人机飞行控制、高端音视频处理
Cortex - M23	基于ARMv8 - M，有TrustZone技术，优化低功耗	对安全性要求高的物联网设备、工业安全关键系统、金融支付终端
Cortex - M33	基于ARMv8 - M，性能和安全性提升，支持更强加密算法，完善内存保护，中断和实时响应更好	智能卡、物联网网关、工业安全控制模块
Cortex - M55	引入Helium技术，支持向量扩展指令集，先进缓存和内存访问机制	边缘计算、物联网终端机器学习推理，如智能语音、图像识别设备

Cortex系列处理器由ARM公司推出，主要分为Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M三大系列，它们在性能方面存在显著差异，适用于不同的应用场景。
Cortex系列后ARM产品线分割成3个系列（M、A、R），这个是市场细分的需求和选择。
1、M-microcontroller 微控制器，就是单片机、stm32
2、A-application 应用级处理器，就是手机、平板、电脑的cpu
3、R-realtime 实时处理器 响应速度快 主要用在工业、航天等领域。
实时操作系统：RTOS，比如刹车系统
非实时性操作系统：linux、windows、android，比如娱乐系统

系列	性能特点	性能相关参数对比	应用场景
Cortex-A系列	高性能，支持复杂操作系统和多任务处理，具备丰富的指令集和强大的图形处理能力，可满足对性能要求较高的应用需求，但功耗相对较大	工作频率通常在几百MHz到几GHz；支持多核设计，如Cortex-A57、Cortex-A72等可实现多核心协同工作，显著提升多任务处理和复杂运算能力；支持ARM、Thumb指令集及Thumb-2指令集，能处理复杂的多媒体和图形任务	智能手机、平板电脑、数字电视、机顶盒、企业网络设备、服务器、车载系统等，如苹果iPhone使用的A系列芯片、特斯拉车载系统的处理器等
Cortex-R系列	强调高可靠性、实时响应和容错功能，在保证性能的同时，能满足系统对实时性的严格要求，性能高于Cortex-M系列	工作频率较高，可提供较高的处理性能；具有快速处理能力，能在所有场合满足硬实时限制；具备高容错能力，确保系统可靠运行	汽车电子（如汽车发动机控制单元、安全气囊系统）、航空航天、工业控制（如工业机器人、自动化生产线控制）、存储设备等对可靠性和实时性要求极高的领域
Cortex-M系列	低功耗、低成本，针对对成本和功耗敏感的应用进行优化，具备一定实时处理能力，但处理复杂任务的能力相对较弱	工作频率一般在数十MHz到数百MHz；采用精简设计，指令集相对简单，以降低功耗和成本；中断响应速度快，适用于实时控制场景	物联网设备（如智能传感器、智能家居设备）、人机接口设备、汽车和工业控制系统（如简单的电机控制）、消费性产品（如智能手环、电子玩具）、医疗器械（如便携式医疗设备） 等

ARM和RISC-V对比总结

对比维度	ARM架构	RISC - V架构
起源与发展	20世纪80年代由英国Acorn计算机公司为开发低功耗、高性能处理器而设计。随着移动互联网兴起，在移动设备领域取得巨大成功，拥有广泛生态。	2010年由加州大学伯克利分校研究团队开发，是开源指令集架构，近年因开源特性吸引众多企业和开发者关注。
授权模式	闭源架构，使用需向ARM公司获取授权，不同授权级别费用不同，可能限制产品设计和使用场景。	开源免费，任何人可自由使用、修改和扩展指令集，无授权费用和严格限制，利于创新和定制化开发。
指令集特点	采用精简指令集（RISC），指令格式规整，执行效率高，有大量成熟指令集扩展方案和优化技术。	也是精简指令集，设计简洁，指令数量相对少，采用模块化设计，基本指令集提供基础功能，扩展指令集可按需添加。
架构灵活性	架构相对固定，虽可通过不同系列和配置满足不同需求，但定制灵活性受ARM公司规定和授权限制。	高度灵活，开发者可根据特定应用场景自由定制指令集和处理器架构，如针对物联网、人工智能等领域开发专用处理器。
生态系统	经过多年发展，形成庞大成熟生态系统，软件工具、开发环境、操作系统等资源丰富，开发者众多。	生态系统处于发展阶段，资源相对较少，但开源特性吸引大量开发者和企业参与，生态在快速完善。
应用领域	在移动设备（智能手机、平板电脑）、嵌入式系统（工业控制、智能家居、汽车电子）等领域占据主导地位。	在物联网、人工智能、开源硬件等领域有广阔应用前景，一些新兴领域和对成本、定制化要求高的场景更倾向采用。
性能功耗	在性能和功耗平衡上表现出色，不同系列处理器针对不同应用场景优化，有高性能低功耗产品。	因架构灵活，可根据具体需求设计，在特定应用中可实现优异性能功耗比，但整体性能和功耗表现因设计而异。

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/148807034