RISC-V、ARM 和 x86微處理器之間的許多差異都很細微，并且與內(nèi)存尋址方式、分支執(zhí)行方式、異常處理方式等有關(guān)。本文將考慮更高層次的差異，并將簡要比較精簡指令集計算（RISC）和復(fù)雜指令集計算（CISC），考慮這些差異對功耗和計算性能之間的權(quán)衡的影響，看看安全性和預(yù)測性如何執(zhí)行被處理，虛擬化是如何實現(xiàn)的，最后是對 RISC-V、ARM 和 x86 設(shè)備的應(yīng)用程序適用性的概述。

Intel的x86架構(gòu)也在AMD的CPU上提供，ARM處理器和IP由Arm Limited提供，RISC-V國際組織正在開發(fā)RISC-V。英特爾、AMD、ARM 和 RISC-V 之間的兩個非常顯著的區(qū)別在于商業(yè)模式和計算架構(gòu)。英特爾、AMD 和 ARM 基于專有 IP，并且這些公司銷售和/或許可他們的產(chǎn)品。RISC-V 是一個開放的規(guī)范和平臺；它不是開源處理器。可以使用開源 RISC-V 內(nèi)核，但也有商業(yè)許可的內(nèi)核。

RISC-V和ARM處理器在計算架構(gòu)上基于RISC概念，而Intel和AMD的x86處理器則采用CISC設(shè)計。

一、RISC與CISC的計算

RISC體系結(jié)構(gòu)具有可以在單個計算機時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的簡單指令。因此，完成一項特定任務(wù)往往需要執(zhí)行多條指令。同樣的任務(wù)可以在CISC處理器上用更少的指令（甚至單個指令）完成。

CISC計算力求用盡可能少的代碼行完成一項任務(wù)。一條CISC指令可能需要多個計算機時鐘周期才能完成。例如，CISC處理器的兩個數(shù)相乘可以用一條指令完成：

MUL 1200, 1201

“MUL”是一個復(fù)雜的指令。它不需要程序員顯式使用任何調(diào)用、加載或存儲函數(shù)。它直接在計算機的內(nèi)存上運行，類似于高級編程語言中的命令。RISC 處理器上的乘法不能用單個命令完成；需要幾個更簡單的指令來從內(nèi)存中的特定位置加載每個操作數(shù)（下面示例中的 1200 和 1201），將數(shù)字相乘，然后存儲結(jié)果：

Load A, 1200
Load B, 1201
MUL A, B
Store 1200, A

在此示例中，Load指令將來自內(nèi)存位置1200和1201的數(shù)據(jù)分別存儲到寄存器A和 B。MUL指令將兩個寄存器中的值相乘。它將結(jié)果保存在A中，Store指令將 A 的值存儲在內(nèi)存位置 1200（或任何其他指定的內(nèi)存位置）中。在RISC處理器中，諸如MUL之類的操作僅在寄存器上執(zhí)行，而不是直接在內(nèi)存上執(zhí)行。雖然這增加了指令數(shù)，但它允許使用更簡單的指令。

二、功率與性能

與CISC指令相比，執(zhí)行更簡單的 RISC 指令消耗的功率更少。CISC 處理器試圖以每條指令的計算機時鐘周期數(shù)為代價來最小化每個程序的指令數(shù)。RISC 采用相反的方法，使用可以在單個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行的簡單指令，但需要更多的指令。以下等式顯示了計算機的性能能力（運行程序的時間）與每條指令的周期數(shù)以及每條程序的指令數(shù)之間的關(guān)系：

從這個等式來看，有兩種方法可以提高性能，最小化每個程序的指令數(shù)或減少每個指令的周期數(shù)。一般而言，RISC方法在降低整體功耗方面更為成功，有時會以降低性能為代價。然而，分歧正在縮小。ARM 添加了更復(fù)雜的指令來提高處理器性能（以更高的功耗為代價）。英特爾將其一些操作碼分解為類似于RISC的微操作，以實現(xiàn)更低的功耗。

三、安全性

權(quán)限環(huán)（有時稱為保護環(huán)）是為保護數(shù)據(jù)和功能免受故障、提高容錯能力和提高安全性免受惡意操作而建立的分層域。環(huán)按照從最高特權(quán)或最受信任到最低特權(quán)或最不受信任的層次結(jié)構(gòu)設(shè)置。零環(huán)通常是最高特權(quán)級別，直接與 CPU 內(nèi)核和內(nèi)存交互。

x86 架構(gòu)包括四個級別的特權(quán)環(huán)。ARM v7 架構(gòu)包括三個特權(quán)級別；應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和管理程序。ARM 和 RISC-V 都使用隔離機制的概念。ARM 采用基于硬件的安全性，其中域被硬編碼到硬件中，而 RISC-V 使用軟件定義的隔離域。

OP-TEE 是實現(xiàn) ARM TrustZone 技術(shù)的開源可信執(zhí)行環(huán)境 (TEE)。OP-TEE 已被移植到許多 ARM 設(shè)備和平臺，包括 ARM v8。RISC-V MultiZone 安全軟件模型很小，因此速度更快。RISC-V 內(nèi)置了多種安全機制，包括四級權(quán)限環(huán)、安全中斷處理和獨特的物理內(nèi)存保護（PMP）機制。RISC-V 還提供了商用安全增強功能，包括加密庫、信任根和多域 TEE。

RISC-V 的開源特性導(dǎo)致專有 ISA 缺乏的透明度，并為另一個級別的安全性提供了可能性。RISC-V 社區(qū)龐大而多樣，許多設(shè)計人員不斷研究安全環(huán)境和潛在威脅向量。一旦識別出安全風險，它通常會與開放社區(qū)共享，使專家能夠快速開發(fā)或提出解決方案。

四、預(yù)測執(zhí)行

謂詞執(zhí)行允許某些指令僅在特定的先前條件為真時才執(zhí)行。例如，先前的結(jié)果必須大于零；否則，處理器繼續(xù)執(zhí)行下一條指令。ARM 和 x86 支持各種格式的謂詞執(zhí)行。

宏操作融合是一種硬件優(yōu)化技術(shù)，在解碼之前或解碼過程中，將一系列相鄰的宏操作合并為一個宏操作。ARM 在其最近的微體系結(jié)構(gòu)中支持許多宏操作融合操作。微操作融合在處理器內(nèi)部將兩條指令合二為一，有效實現(xiàn)無需指令集幫助的謂詞執(zhí)行。

基本的RISC-V指令集不支持謂詞執(zhí)行。然而，實驗性的BOOMv3亂序推測RISC-V處理器使用精簡指令集與微操作融合的組合來實現(xiàn)預(yù)測執(zhí)行。

五、CPU、內(nèi)存和I/O的虛擬化

ARM、x86 和 RISC-V 都支持 CPU 和內(nèi)存的虛擬化。RISC-V ISA 目前不支持 I/O 的虛擬化。在 x86 生態(tài)系統(tǒng)中，Intel和AMD有自己的虛擬化方法。英特爾被稱為虛擬化技術(shù)或 VT。VT由 VT-x 組成，包含核心側(cè)特征；VT-d，包含輸入輸出內(nèi)存管理單元（IOMMU）；和 VT-c，它涵蓋了網(wǎng)絡(luò)接口。AMD 在標簽AMD-V下提供核心端虛擬化，而IOMMU稱為AMD-Vi。英特爾和 AMD 的產(chǎn)品在實現(xiàn)細節(jié)上有所不同，但與 ARM 的產(chǎn)品相比，彼此的架構(gòu)更加緊密。

與 x86 處理器采用的方法類似的虛擬化擴展已添加到ARM架構(gòu)中。ARM虛擬化擴展使硬件方式能夠使用管理程序虛擬化 CPU。多個操作系統(tǒng)可以在每個虛擬 CPU 上運行。

RISC-V H（管理程序）擴展 v0.6.1 引入了 CPU 狀態(tài)的完整副本：一份副本用于來賓，一份副本用于主機（類似于 Intel VT-x）。RISC-V通過將敏感寄存器和指令賦予主機模式特權(quán)來支持 CPU 的虛擬化。從預(yù)發(fā)布版本號可以看出，RISC-V 虛擬化是一項正在進行的工作。最近發(fā)布了用于嵌入式系統(tǒng)的 Rocket 芯片內(nèi)核中最新版本的 RISC-V 虛擬機管理程序擴展的首次公開實施和評估。

與x86和ARM架構(gòu)一樣，RISC-V支持使用多階段頁表的內(nèi)存虛擬化。此外，RISC-V為來賓表和主機表實現(xiàn)了相同的頁表條目格式。

I/O虛擬化在RISC-V中留待指定。它主要是IOMMU和平臺級中斷控制器(PLIC)的一個特性，它位于RISC-V ISA的域之外，需要指定。當前指定的 PLIC 不包括用于配置中斷注入的寄存器。

六、RISC-V和ISA的擴展

RISC-V 從一開始就設(shè)計為不僅支持基本ISA和標準擴展，而且還支持自定義ISA擴展。雖然ARM最初并未設(shè)計為使用自定義擴展，但這種情況正在發(fā)生變化，并且ARM生態(tài)系統(tǒng)開始使用自定義擴展。x86生態(tài)系統(tǒng)是封閉的，一般不支持自定義ISA擴展。

RISC-V ISA被組織成指令組（基本 ISA 和標準擴展）。使用對標準ISA的擴展的能力可以為特定應(yīng)用程序提供支持。例如，最近發(fā)布的 RISC-V 向量擴展(RVV)使基于RISC-V ISA的處理器內(nèi)核能夠與傳統(tǒng)標量運算一起處理數(shù)據(jù)數(shù)組，以加速大型數(shù)據(jù)集上單指令流的計算。適合矢量處理器的任務(wù)示例包括：

（1）機器學習。
（2）壓縮圖像、zip文件等。
（3）密碼學。
（4）多媒體：音頻、視頻。
（5）語音和手寫。
（6）奇偶校驗、校驗和。
（7）散列/連接。

RISC-V ISA支持自定義擴展的能力可以成為特定用例或應(yīng)用程序的關(guān)鍵區(qū)別。使用自定義擴展不會破壞與主要ISA的合規(guī)性。支持自定義擴展的處理器也可以運行通用 RISC-V 軟件。

上圖顯示了RISC-V軟件堆棧中的自定義ISA擴展。操作系統(tǒng)（OS）可以是實時操作系統(tǒng)（如embOS、FreeRTOS、LynxOS等），也可以是富操作系統(tǒng)（如Linux、Android、Windows等）。在此示例中，App1 確實需要性能增強并且不使用自定義 ISA 擴展。它可以符合標準編譯器。App2 和 App3 使用自定義 ISA 擴展來提高性能，并且必須使用包含自定義 ISA 擴展的編譯器進行編譯。

所以，x86、ARM和RISC-V微處理器之間的差異很多而且各不相同。這些差異推動了一般應(yīng)用程序的適用性。來自AMD和Intel的x86處理器在計算機和服務(wù)器領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。在平板電腦和智能手機上，蘋果和高通的ARM處理器占主導(dǎo)地位。ARM處理器在嵌入式應(yīng)用中也很強大。隨著 RISC-V 越來越多地用于嵌入式系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、磁盤驅(qū)動器、人工智能和機器學習應(yīng)用程序，這種優(yōu)勢正在受到挑戰(zhàn)。

以上就是英銳恩單片機開發(fā)工程師分享的“RISC-V、ARM與x86之間有什么區(qū)別？”。英銳恩專注單片機應(yīng)用方案設(shè)計與開發(fā)，提供8位單片機、16位單片機、32位單片機。