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Basado en la arquitectura del conjunto de instrucciones (ISA), los desarrolladores utilizan diferentes implementaciones de hardware para diseñar procesadores con diferente rendimiento, por lo que ISA se considera el alma de la CPU. Podemos entender la arquitectura del conjunto de instrucciones como una capa de abstracción, que es el puente y la interfaz entre el hardware subyacente del procesador y el software que se ejecuta en el hardware.

Figura 1 Arquitectura del conjunto de instrucciones

La arquitectura del conjunto de instrucciones se divide en computadora con conjunto de instrucciones complejo (CISC) y computadora con conjunto de instrucciones reducido (RISC).

La arquitectura CISC contiene no solo instrucciones comúnmente utilizadas por los procesadores, sino también muchas instrucciones especiales que no se usan comúnmente. En los primeros días del desarrollo de CPU, CISC era la corriente principal, que podía completar operaciones con menos instrucciones. Sin embargo, a medida que se agregan más y más instrucciones especiales a la arquitectura CISC, las instrucciones utilizadas en las operaciones típicas del programa común solo representan el 20% del conjunto de instrucciones y el 80% de las instrucciones rara vez se utilizan. Estas instrucciones rara vez utilizadas hacen que el diseño de la CPU sea extremadamente complejo, lo que aumenta en gran medida el costo de tiempo y el gasto de área del diseño de hardware.

La arquitectura RISC sólo contiene instrucciones utilizadas habitualmente por los procesadores. Para operaciones poco comunes, puede lograr el mismo efecto ejecutando múltiples instrucciones comunes. Por lo tanto, después del nacimiento de la arquitectura RISC, todos los conjuntos de instrucciones modernos optaron por utilizar la arquitectura RISC.

Desde su aparición en la década de 1960, la CPU se ha desarrollado durante décadas y han nacido o muerto docenas de arquitecturas de conjuntos de instrucciones diferentes. Las siguientes son ocho arquitecturas principales, que se resumen brevemente en la siguiente tabla:

Hay tres campos de aplicación principales de la CPU, a saber, el campo del servidor, el campo de la PC y el campo integrado.

1) Campo móvil: como los teléfonos inteligentes, se espera que el tamaño del mercado supere al del campo de las PC, que está casi monopolizado por la serie ARM Cortex-A.

2) Campo integrado en tiempo real: la arquitectura ARM ocupa una mayor participación de mercado;

3) Campo integrado: énfasis en el bajo consumo de energía, el bajo costo y la alta relación de eficiencia energética. Los chips son principalmente microcontroladores o microprocesadores, y las aplicaciones del mercado están muy dispersas, pero la base es enorme, especialmente en la era del Internet de las cosas. La serie ARM Cortex-M es la corriente principal del mercado.

Desde los escenarios de aplicación de CPU, podemos observar la ampliación y proliferación de escenarios de aplicación de CPU. Hay tres eras principales, desde la era de las PC hasta la era móvil y luego hasta la era de Internet de las cosas, que simplemente se asignan a las tres arquitecturas principales de CPU, que también pueden considerarse como la tercera generación de CPU.

Longevidad: la arquitectura x86 es una fuerza en el campo de servidores/PC. Intel y AMD son los principales proveedores de chips de procesador x86. Después de varias generaciones de desarrollo, ha pasado de 16 bits a los 64 bits actuales. Intel ha superado algunas deficiencias de la arquitectura CISC a través de un "microcódigo" interno y ha mantenido su posición de liderazgo en rendimiento con la mejora continua de sus niveles de diseño de CPU y fabricación de procesos. Además, la exitosa alianza comercial de Wintel no sólo domina el campo de las PC, sino que también derrota a IBM y Sun, con una participación de mercado de servidores de más del 90%.

Como empresa de chips, la arquitectura x86 de Intel/AMD es su salvavidas. La tarifa de la licencia es extremadamente alta y también puede detener la concesión de licencias para amenazar a los competidores. Por eso, el desarrollo de la arquitectura x86 recibe el sobrenombre de "el juego de los fuertes".

Second Life y Second Life: la arquitectura ARM es la reina de los dispositivos móviles. El modelo de negocio de ARM se basa en el principio de "ganar-ganar" y obtiene beneficios a través de licencias de infraestructura y licencias de IP centrales. ARM promueve activamente la construcción ecológica e incorpora empresas de software y hardware ascendentes y descendentes a su ecosistema de acuerdo con los estándares y especificaciones formulados uniformemente por ARM. Con el rápido desarrollo de las aplicaciones móviles en los últimos 10 años, especialmente el auge de los teléfonos inteligentes, ARM se ha convertido rápidamente en el rey del mundo móvil.

Attack Arm no solo es invencible en el campo de los dispositivos portátiles con la serie Cortex-A, sino que también se implementa con éxito en el campo integrado en tiempo real y en el campo pan-integrado con la serie Cortex-R y Cortex. -Serie M. Las tres principales áreas de productos de ARM:

La serie Cortex-A es una serie de procesadores RISC de 32 y 64 bits para campos de microcontroladores de alto rendimiento y bajo consumo, con una unidad de administración de memoria incorporada ( MMU), puede soportar el funcionamiento del sistema operativo. La serie de 32 bits incluye Cortex-A5, Cortex-A7, Cortex-A8, Cortex-A9, Cortex-A12, Cortex-A15, Cortex-A17 y Cortex-A32.

La serie de 64 bits incluye Cortex-A35, Cortex-A53, Cortex-A57, Cortex-A72 y Cortex-A73.

Cabe mencionar que cuando se produjo en masa el primer lote de chips Cortex-A8, aparecieron las redes 3G, pisando la tendencia de los teléfonos inteligentes. Después de eso, Cortex-A9 dio origen a un período de explosión de los teléfonos inteligentes y se convirtió en el núcleo estándar de los teléfonos inteligentes. Desde entonces, la serie Cortex-A ha entrado en el modo de trampa anual "Xiajiaozi". Las oportunidades y el éxito de la serie Cortex-A han establecido la posición de ARM como rey en el campo móvil y han creado un entorno ecológico de software amplio y profundo en el campo móvil. Actualmente, la arquitectura ARM se ha utilizado en el 85% de los dispositivos móviles del mundo y más del 95% de los procesadores de teléfonos inteligentes se basan en la arquitectura ARM.

Después de que la serie ARM Cortex-A unificó China Mobile, gradualmente formó una fuerte alianza ecológica con socios como Qualcomm, Google y Microsoft, y decidió ingresar al mercado tradicional de servidores y PC con arquitectura x86 como su próximo objetivo de desarrollo.

La serie Cortex-M, "pequeña pero potente", es una serie de procesadores RISC de 32 bits utilizados en el campo de los microcontroladores de bajo consumo. Incluye Cortex-M0, Cortex-M, Cortex-M1, Cortex-M4(F), Cortex-M7(F), Cortex-M423 y Cortex-M33(F). Aunque los escenarios de aplicación de la serie Cortex-M no son tan brillantes como los de la serie Cortex-A, existe una gran demanda en la era de los dispositivos de Internet de las cosas.

Desde 2007, muchas empresas de semiconductores como STMicroelectronics y NXP han lanzado continuamente microcontroladores basados ​​en núcleos Cortex-M. Los fabricantes nacionales también han entrado en el mercado para apoderarse del mercado de Internet de las cosas, especialmente durante la ola de escasez desde el cuarto trimestre de 2020, la sustitución nacional ha aumentado. Entre muchos fabricantes de microcontroladores, STMicroelectronics tiene la línea de productos STM32 más completa y la construcción ecológica más completa.

三生三世: RISC-V con el debut de BLACKPINK. La arquitectura RISC-V es una nueva arquitectura de conjunto de instrucciones iniciada en la Universidad de California, Berkeley, en 2010. "V" no solo representa la arquitectura de instrucciones de quinta generación a partir de RISC-I, sino que también tiene el significado de mutación y vector.

En 2015, se estableció la Fundación RISC-V y comenzó sus operaciones oficiales. Como organización sin fines de lucro, la Fundación RISC-V es responsable de mantener el manual de instrucciones y la documentación de arquitectura estándar de RISC-V, y de promover el desarrollo de la arquitectura RISC-V, impulsándola hacia el código abierto, no solo convirtiéndose en una arquitectura completamente abierta. conjunto de instrucciones, cualquier institución académica u organización comercial puede utilizarlo de forma gratuita. Y se ha convertido en un conjunto de instrucciones estándar estable que es realmente adecuado para la implementación de hardware.

La arquitectura RISC-V, originada en una escuela famosa, es de código abierto y es más flexible y escalable que la arquitectura ARM. El diseño del conjunto de instrucciones considera escenarios de aplicación práctica de consumo de energía pequeño, rápido y bajo, pero no sobrediseña la microarquitectura específica. Es la primera arquitectura de conjunto de instrucciones que puede seleccionar el conjunto de instrucciones apropiado según escenarios específicos. El conjunto de instrucciones RISC-V puede satisfacer las necesidades de diseño de procesadores de diferente complejidad, desde microcontroladores hasta supercomputadoras, reduciendo en gran medida la barrera de entrada al diseño de CPU y reduciendo significativamente el costo de desarrollo de chips.

La arquitectura RISC-V favorece el desarrollo de chips, que son una de las "pocas deficiencias" del sistema industrial chino. Las empresas comerciales pueden desarrollar su propia IP comercial controlable basada en una arquitectura de código abierto, como Pingtou Ge y Lessing Technology, los pioneros de los sistemas RISC-V nacionales. Al mismo tiempo, esta arquitectura puede adaptarse a las necesidades informáticas fragmentadas impulsadas por 5G y la inteligencia artificial, y se espera que se convierta en el foco principal de la era de Internet de las cosas.

La construcción ecológica de la arquitectura del conjunto de instrucciones requiere altos costos de educación y costos de aceptación. El costo de la educación depende de la familiaridad general y el costo de la aceptación depende del tiempo que la gente esté dispuesta a invertir. El ecosistema RISC-V acaba de tomar forma y las fundaciones RISC-V extranjeras lo están promoviendo activamente. Muchos gobiernos locales nacionales también consideran que RISC-V es la dirección principal para el desarrollo de la arquitectura de chips nacional y han lanzado una serie de medidas de incentivo. A medida que más y más chips adoptan la arquitectura RISC-V, especialmente la aparición de chips completamente nacionales, la industria, la academia y los mercados de investigación han exigido cada vez más aplicaciones de chips RISC-V, y la ecología industrial RISC-V de China se está volviendo cada vez más madura.