X86和ARM架构的处理器能效差异

姓名：韩政

学号：16010188021

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【嵌牛导读】：在大一下学期嵌入式微处理器原理这门课程中，我们学习了arm cortexM3的架构。其中老师说到了X86与ARM架构处理器能效有很大差异从而引发探索。

【嵌牛鼻子】：架构  指令集

【嵌牛提问】：X86和ARM架构的处理器能效差异为什么会这么大？

【嵌牛正文】

ARM处理器本身定位于嵌入式平台，应付轻量级、目的单一明确的程序，现在应用在移动设备上正是得心应手。x86定位于桌面和服务器，这些平台上很多应用是计算密集型的，比如多媒体编辑、科研计算、模拟等等。因此将x86和ARM在移动环境下做对比得出“差不多”是不好的。

由于定位的不同，ARM处理器基于精简指令集(RISC)架构。指令集数量少就可以简化硬件逻辑的设计，减少晶体管数量，也就意味着低功耗。而且由于移动平台应用通常简单，程序的控制流不复杂，执行效率没有必要很高，所以流水线、分支预测等硬件逻辑都比较简单。这些都降低了晶体管总量。同时因为移动设备有电池的能源限制，ARM的电源管理是作为重要部分特别设计了的。比如移动设备的处理器在待机时通常只以极低的主频在运行，甚至可以暂时关闭闲置的核心、协处理器来降低功耗。

x86就截然不同。x86是复杂指令集(CISC)架构，存在很多机器指令，只为了高效地完成一项专门任务（比如MMX, SSE中的指令）。这就使得硬件的逻辑很复杂，晶体管数量庞大。为了高效地进行运算，x86架构有较长的流水线以达到指令级并行(ILP)。长流水线带来的一个弊端，就是当遇到分支时，如果预载入分支指令不是未来真实的分支，那么要清空整个流水，代价较高。所以x86为此还必须有复杂的分支预测机构，确保流水线的效率。再加上多级cache，支持超线程、虚拟化等等，x86的复杂度其实相当高。

硬件层面，这两种处理器的设计初衷可说是背道而驰的，目前看来，x86架构在移动计算站稳脚跟很困难，而ARM之类的RISC架构也无法在较复杂的应用中表现很出色，例如高性能计算等领域。

至于发热量和功耗，一则因为x86处理器要包含很多指令集，这用去了不少晶体管，二则因为内部逻辑比较复杂，也用去了不少晶体管。所以它从架构上讲，做到低功耗其实很困难，intel号称可以讲功耗做到数百毫瓦，但那是在CPU闲置进入C5或者C6 state的时候的功耗，相当于某些低频ARM处理器正常工作的功耗。

总结来看：

1、精简指令集就意味着更小的芯片，更少的晶体管工作。CISC相比于RISC有更多实现单一功能的晶体管结构（言外之意它们被使用的频率并不高），而这部分晶体管在不工作的时候会提供不小的静态功耗。

2、ARM在无指令处理的时候可以休眠，而X86在无指令处理时只是降低工作频率而已

3、ARM一般都有协处理器共同工作，比如GPU