隨著計(jì)算需求的多樣化，尤其是隨著移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和云計(jì)算的興起，ARM 和 x86 架構(gòu)之間的爭論變得更加突出。ARM(高級 RISC 機(jī)器)和 x86 代表兩種不同類型的處理器架構(gòu)，每種架構(gòu)都針對不同的工作負(fù)載和用例進(jìn)行了優(yōu)化。本文將探討 ARM 和 x86 架構(gòu)之間的主要區(qū)別，重點(diǎn)介紹它們的優(yōu)勢、劣勢和典型應(yīng)用。

現(xiàn)代處理器的基礎(chǔ)

1.指令集架構(gòu)(ISA)

ARM 和 x86 之間的主要區(qū)別在于每個處理器系列使用的指令集架構(gòu) (ISA)。ARM 基于精簡指令集計(jì)算機(jī) (RISC) 架構(gòu)，該架構(gòu)注重簡單性和效率。它采用較少的指令，每條指令都可以在一個時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行。這種簡單性可以降低功耗，并允許 ARM 在各種設(shè)備(尤其是移動和嵌入式系統(tǒng))中高效擴(kuò)展。

另一方面，x86 基于復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) (CISC) 架構(gòu)。它包含更廣泛的指令集，其中一些指令可以在單個操作中執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。雖然這可以帶來更強(qiáng)大的處理能力，但通常以增加功耗和復(fù)雜性為代價(jià)。x86 架構(gòu)因其在處理通用計(jì)算任務(wù)方面的強(qiáng)大性能而被廣泛應(yīng)用于臺式電腦、筆記本電腦和服務(wù)器。

2. 功耗

ARM相對于 x86的一個最顯著優(yōu)勢是其能效。ARM 處理器在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到了低功耗，這就是它們在移動、嵌入式和物聯(lián)網(wǎng)市場占據(jù)主導(dǎo)地位的原因。智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴技術(shù)等設(shè)備受益于 ARM 提供足夠處理能力并延長電池壽命的能力。

x86 處理器雖然功能更強(qiáng)大，但往往會消耗更多電量，因此不太適合電力受限的環(huán)境。雖然英特爾和 AMD 在提高 x86 芯片的能效方面取得了長足進(jìn)步，尤其是英特爾的 Atom 或 AMD 的 Ryzen Mobile 等低功耗版本，但在能效至關(guān)重要的應(yīng)用中，它們?nèi)匀宦浜笥? ARM。

3. 性能

就性能而言，x86 架構(gòu)在提供原始計(jì)算能力方面歷來占有優(yōu)勢。x86 處理器(尤其是英特爾和 AMD 的處理器)旨在處理復(fù)雜、繁重的任務(wù)，例如高性能計(jì)算、游戲和內(nèi)容創(chuàng)建。它們的復(fù)雜指令集允許它們在每個時(shí)鐘周期執(zhí)行多個操作，這在性能至關(guān)重要的工作負(fù)載中非常有利。

ARM 雖然原始性能通常較低，但近年來取得了長足進(jìn)步。高端 ARM 處理器(例如 Apple 的 M1 和 M2 芯片)表明，ARM 可以在個人計(jì)算任務(wù)中提供具有競爭力的性能，同時(shí)保持出色的能效。這些發(fā)展挑戰(zhàn)了 x86 在臺式機(jī)和筆記本電腦領(lǐng)域的傳統(tǒng)主導(dǎo)地位，尤其是在應(yīng)用程序性能、視頻編輯和一般生產(chǎn)力等領(lǐng)域。

4.可擴(kuò)展性和靈活性

ARM 的模塊化和靈活架構(gòu)使其能夠擴(kuò)展到各種設(shè)備，從小型嵌入式系統(tǒng)到強(qiáng)大的超級計(jì)算機(jī)。這種可擴(kuò)展性使 ARM 在移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)以及服務(wù)器環(huán)境中越來越受歡迎。ARM 能夠由制造商針對特定任務(wù)進(jìn)行定制，這也使 Apple 和 Qualcomm 等公司能夠構(gòu)建針對其硬件量身定制的優(yōu)化處理器。

x86 雖然在傳統(tǒng)計(jì)算環(huán)境中表現(xiàn)強(qiáng)勁，但在可擴(kuò)展性方面不如 ARM 靈活。它通常僅限于個人電腦、工作站和服務(wù)器。盡管英特爾的 Xeon 系列等 x86 芯片在企業(yè)服務(wù)器和云計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但 ARM 憑借其能效和可擴(kuò)展性開始在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域取得進(jìn)展。

5. 市場存在和生態(tài)系統(tǒng)

ARM 在移動和嵌入式市場占據(jù)主導(dǎo)地位。憑借其節(jié)能設(shè)計(jì)，ARM 成為幾乎所有智能手機(jī)、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)的支柱。ARM生態(tài)系統(tǒng)非常廣泛，Apple、三星和高通等公司都在為其設(shè)備設(shè)計(jì)基于 ARM 的定制芯片。

然而，x86 主導(dǎo)著臺式機(jī)和筆記本電腦市場。英特爾和 AMD 是 x86 處理器的主要供應(yīng)商，擁有完善的生態(tài)系統(tǒng)，包括軟件、開發(fā)工具和硬件制造商。盡管 ARM 在臺式機(jī)領(lǐng)域的影響力日益增強(qiáng)(得益于 Apple 的 M1 和 M2 芯片)，但 x86 仍然在通用計(jì)算領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，并且仍然是游戲 PC、工作站和服務(wù)器的首選。

6.軟件兼容性

x86 長期以來在軟件兼容性方面占有優(yōu)勢，尤其是與傳統(tǒng)應(yīng)用程序的兼容性。大多數(shù)商業(yè)軟件(尤其是臺式機(jī)軟件)都針對 x86 處理器進(jìn)行了優(yōu)化。過去幾十年來，x86 架構(gòu)在 PC 領(lǐng)域的主導(dǎo)地位造就了龐大的應(yīng)用程序庫，使其成為許多行業(yè)的首選架構(gòu)。

然而，軟件格局正在發(fā)生變化。如今，許多應(yīng)用程序都是跨平臺的，設(shè)計(jì)用于在 x86 和 ARM 架構(gòu)上運(yùn)行。隨著基于 ARM 的筆記本電腦(如 Apple 的 MacBook 系列)的興起，開發(fā)人員越來越多地將軟件移植到 ARM。此外，ARM 在移動設(shè)備中的廣泛使用創(chuàng)造了大量與 ARM 兼容的應(yīng)用程序。

7. 新興趨勢

最近的趨勢表明 ARM 和 x86 之間的界限正在變得模糊。ARM 的性能不斷提高，尤其是 Apple M1/M2 和 Qualcomm Snapdragon 等芯片，使其能夠在曾經(jīng)由 x86 主導(dǎo)的領(lǐng)域展開競爭。在數(shù)據(jù)中心，基于 ARM 的服務(wù)器因其能效而開始成為 x86 服務(wù)器的可行替代方案。

x86，尤其是英特爾和 AMD，仍然在企業(yè)環(huán)境和高性能計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，但 ARM 在消費(fèi)設(shè)備和云基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域的崛起表明競爭將更加激烈。

ARM架構(gòu)的情況則有所不同。ARM硬件的生態(tài)多樣性導(dǎo)致每家芯片設(shè)計(jì)都各有差異，例如內(nèi)存地址、中斷控制器以及外設(shè)類型等。因此，在ARM設(shè)備上，操作系統(tǒng)需要一種方式來統(tǒng)一管理和配置這些多樣化的硬件，這就是設(shè)備樹所起的作用。

此外，ARM架構(gòu)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、平板、嵌入式設(shè)備以及小型服務(wù)器等多種場合，這些設(shè)備的硬件配置差異極大。不同的ARM設(shè)備可能配備不同的CPU、外設(shè)和總線結(jié)構(gòu)等，使得每個設(shè)備的硬件配置都獨(dú)具特色。因此，在ARM設(shè)備上使用設(shè)備樹能夠更好地適應(yīng)這種多樣化的硬件環(huán)境，確保操作系統(tǒng)能夠正確地初始化和配置每個硬件組件。

例如，在ARM設(shè)備中，可能存在多種類型的顯卡、內(nèi)存容量各異的設(shè)備，甚至包括不同的電池管理硬件。不同制造商生產(chǎn)的ARM設(shè)備，其硬件接口和布局也可能截然不同。因此，ARM設(shè)備并不具備像x86設(shè)備那樣的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

為了支持這些多樣化的ARM設(shè)備，Linux操作系統(tǒng)需要獲取每臺設(shè)備的詳細(xì)硬件信息。這正是設(shè)備樹發(fā)揮作用的地方。它向操作系統(tǒng)提供了關(guān)于當(dāng)前硬件配置的詳細(xì)信息，指導(dǎo)操作系統(tǒng)如何正確地訪問和管理這些硬件。借助設(shè)備樹，Linux能夠靈活地適應(yīng)各種不同的ARM硬件配置，而無需為每種新硬件重復(fù)編寫識別代碼。

當(dāng)然，隨著ARM技術(shù)在服務(wù)器和PC領(lǐng)域的不斷發(fā)展，部分ARM服務(wù)器(例如微軟Surface Pro X)已經(jīng)開始采用UEFI固件和ACPI表來描述硬件。但在嵌入式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，設(shè)備樹由于其輕量級和靈活性特點(diǎn)，仍然是最為合適的解決方案。

一、設(shè)計(jì)目標(biāo)

x86架構(gòu)是為了在個人計(jì)算機(jī)(PC)和服務(wù)器等高性能計(jì)算機(jī)上運(yùn)行通用操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序而設(shè)計(jì)的，而ARM架構(gòu)則是為了在移動設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)低功耗和高效率而設(shè)計(jì)的。簡而言之：X86主要追求性能，但會導(dǎo)致功耗大，不節(jié)能，而ARM則是追求節(jié)能，低功耗，但和X86相比性能較差。

二、指令集

X86采用CISC復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，而ARM采用的是RISC精簡指令集計(jì)算機(jī)。

CISC是復(fù)雜指令集CPU，指令較多，因此使得CPU電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，功耗大，但是對應(yīng)編譯器的設(shè)計(jì)簡單。RISC的精簡指令集CPU，指令較少，功耗比較小，但編譯器設(shè)計(jì)很復(fù)雜，它的關(guān)鍵在與流水線操作能在一個時(shí)鐘周期完成多條指令。

x86架構(gòu)使用復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)(CISC)指令集，其中包含大量的指令和寄存器，這可以讓CPU執(zhí)行更復(fù)雜的操作，但會占用更多的芯片面積。ARM架構(gòu)使用精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)指令集，其中包含更少的指令和寄存器，這可以使芯片面積更小，從而使得ARM處理器更加節(jié)能。

三、架構(gòu)特點(diǎn)

x86處理器采用復(fù)雜的指令集，具有多級緩存和分支預(yù)測等高級功能，但是這些功能會導(dǎo)致功耗高和發(fā)熱量大。ARM處理器采用精簡指令集，具有更小的尺寸和更低的功耗，但不像x86處理器那樣強(qiáng)大。但ARM的優(yōu)勢不在于性能強(qiáng)大而在于效率，ARM采用RISC流水線指令集，在完成綜合性工作方面根本就處于劣勢，而在一些任務(wù)相對固定的應(yīng)用場合其優(yōu)勢就能發(fā)揮得淋漓盡致

四、操作系統(tǒng)兼容性

X86系統(tǒng)由微軟及Intel構(gòu)建的Wintel聯(lián)盟一統(tǒng)天下，壟斷了個人電腦操作系統(tǒng)近30年，形成巨大的用戶群，也深深固化了眾多用戶的使用習(xí)慣，同時(shí)x86系統(tǒng)在硬件和軟件開發(fā)方面已經(jīng)形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，幾乎所有x86硬件平臺都可以直接使用微軟的視窗系統(tǒng)及現(xiàn)在流行的幾乎所有工具軟件，所以x86系統(tǒng)在兼容性方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

ARM系統(tǒng)幾乎都采用Linux的操作系統(tǒng)，而且?guī)缀跛械挠布到y(tǒng)都要單獨(dú)構(gòu)建自己的系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)不能兼容，這也導(dǎo)致其應(yīng)用軟件不能方便移植，這一點(diǎn)一直嚴(yán)重制約了ARM系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用。GOOGLE開發(fā)了開放式的Android系統(tǒng)后，統(tǒng)一了ARM結(jié)構(gòu)電腦的操作系統(tǒng)，使新推出基于ARM結(jié)構(gòu)的電腦系統(tǒng)有了統(tǒng)一的、開放式的、免費(fèi)的操作系統(tǒng)，為ARM的發(fā)展提供了強(qiáng)大的支持和動力。

五、應(yīng)用場景

由于ARM處理器具有低功耗、小尺寸、高效率等特點(diǎn)，因此它們經(jīng)常用于移動設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)和車載電子等場景。x86處理器則適用于高性能計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、臺式機(jī)和游戲等場景。

應(yīng)用場景

在企業(yè)數(shù)據(jù)中心，尤其是金融、科研等對計(jì)算性能要求極高的領(lǐng)域，X86服務(wù)器憑借其強(qiáng)大的處理能力和穩(wěn)定性，成為了眾多企業(yè)的首選。它們支撐著復(fù)雜的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，確保數(shù)據(jù)的高效處理和安全存儲。

而ARM服務(wù)器則憑借其低功耗、高能效比的特點(diǎn)，在云服務(wù)提供商、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、邊緣計(jì)算等領(lǐng)域大放異彩。特別是在邊緣計(jì)算場景中，ARM服務(wù)器能夠更好地適應(yīng)環(huán)境多變、資源受限的挑戰(zhàn)，為智慧城市、智能制造等領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的支持。

生態(tài)系統(tǒng)

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，X86服務(wù)器的生態(tài)系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟。它不僅支持幾乎所有主流的操作系統(tǒng)和軟件，還形成了龐大的開發(fā)者社區(qū)，為技術(shù)創(chuàng)新提供了源源不斷的動力。

盡管ARM服務(wù)器在生態(tài)系統(tǒng)方面仍處于快速發(fā)展階段，但其潛力不可小覷。尤其是在Linux環(huán)境下，ARM服務(wù)器已經(jīng)獲得了廣泛的認(rèn)可和支持。當(dāng)然，對于某些特定軟件，可能需要進(jìn)行重新編譯或調(diào)整以適應(yīng)ARM架構(gòu)，但這正是生態(tài)系統(tǒng)不斷完善的過程。

X86與ARM，作為芯片領(lǐng)域的兩大巨頭，它們各自擁有著獨(dú)特的優(yōu)勢和魅力。X86以其強(qiáng)大的處理能力和廣泛的兼容性，在高性能計(jì)算領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷;而ARM則以低功耗和高能效比，在移動設(shè)備和新興應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)大的競爭力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場景的不斷拓展，我們有理由相信，X86與ARM將在各自的領(lǐng)域內(nèi)繼續(xù)發(fā)光發(fā)熱，共同推動數(shù)字世界的繁榮發(fā)展。