ARM與X86比較 性能差可大百倍

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ARM X86比較區別這里就不去管細節,簡單來談一下,ARM和X86之間為什么不太具有可比性的問題。要搞清楚這個問題首先要明白什么是架構,之前也有很多人提到了架構不同,但架構是什么意思?它是一個比較抽象的概念,不太容易用幾句話就解釋清楚。

什么是CPU?

我們要明白CPU是一個執行部件,它之所以能執行,也是因為人們在里面制作了執行各種功能的硬件電路,然后再用一定的邏輯讓它按照一定的順序工作,這樣就能完成人們給它的任務。
也就是說,如果把CPU看作一個人,首先它要有正常的工作能力(既執行能力),然后又有足夠的邏輯能力(能明白做事的順序),最后還要聽的懂別人的話(既指令集),才能正常工作。而這些集中在一起就構成了所謂的“架構”,它可以理解為一套“工具”、“方法”和“規范”的集合。不同的架構之間,工具可能不同,方法可能不同,規范也可能不同,這也造成了它們之間的不兼容——你給一個意大利泥瓦匠看一份中文寫成的烹飪指南,他當然不知道應該干什么了。

架構

如果還看不懂,沒關系,我們繼續。從CPU發明到現在,有非常多種架構,從我們熟悉的X86,ARM,到不太熟悉的MIPS,IA64,它們之間的差距都非常大。但是如果從最基本的邏輯角度來分類的話,它們可以被分為兩大類,即所謂的“復雜指令集”與“精簡指令集”系統,也就是經常看到的“CISC”與“RISC”。
屬于這兩種類中的各種架構之間最大的區別,在于它們的設計者考慮問題方式的不同。我們可以繼續舉個例子,比如說我們要命令一個人吃飯,那么我們應該怎么命令呢?我們可以直接對他下達“吃飯”的命令,也可以命令他“先拿勺子,然后舀起一勺飯,然后張嘴,然后送到嘴里,最后咽下去”。從這里可以看到,對于命令別人做事這樣一件事情,不同的人有不同的理解,有人認為,如果我首先給接受命令的人以足夠的訓練,讓他掌握各種復雜技能(即在硬件中實現對應的復雜功能),那么以后就可以用非常簡單的命令讓他去做很復雜的事情——比如只要說一句“吃飯”,他就會吃飯。但是也有人認為這樣會讓事情變的太復雜,畢竟接受命令的人要做的事情很復雜,如果你這時候想讓他吃菜怎么辦?難道繼續訓練他吃菜的方法?我們為什么不可以把事情分為許多非常基本的步驟,這樣只需要接受命令的人懂得很少的基本技能,就可以完成同樣的工作,無非是下達命令的人稍微累一點——比如現在我要他吃菜,只需要把剛剛吃飯命令里的“舀起一勺飯”改成“舀起一勺菜”,問題就解決了,多么簡單。
這就是“復雜指令集”和“精簡指令集”的邏輯區別。可能有人說,明顯是精簡指令集好啊,但是我們不好去判斷它們之間到底誰好誰壞,因為目前他們兩種指令集都在蓬勃發展,而且都很成功——X86是復雜指令集(CISC)的代表,而ARM則是精簡指令集(RISC)的代表,甚至ARM的名字就直接表明了它的技術:Advanced RISC Machine——高級RISC機。

RISC與CISC

到了這里你就應該明白為什么RISC和CISC之間不好直接比較性能了,因為它們之間的設計思路差異太大。這樣的思路導致了CISC和RISC分道揚鑣——前者更加專注于高性能但同時高功耗的實現,而后者則專注于小尺寸低功耗領域。實際上也有很多事情CISC更加合適,而另外一些事情則是RISC更加合適,比如在執行高密度的運算任務的時候CISC就更具備優勢,而在執行簡單重復勞動的時候RISC就能占到上風。
比如假設我們是在舉辦吃飯大賽,那么CISC只需要不停的喊“吃飯吃飯吃飯”就行了,而RISC則要一遍一遍重復吃飯流程,負責喊話的人如果嘴巴不夠快(即內存帶寬不夠大),那么RISC就很難吃的過CISC。但是如果我們只是要兩個人把飯舀出來,那么CISC就麻煩得多,因為CISC里沒有這么簡單的舀飯動作,而RISC就只需要不停喊“舀飯舀飯舀飯”就OK。這就是CISC和RISC之間的區別。

發射

但是在實際情況中問題要比這復雜許許多多,因為各個陣營的設計者都想要提升自家架構的性能。這里面最普遍的就是所謂的“發射”概念。什么叫發射?發射就是同時可以執行多少指令的意思,例如雙發射就意味著CPU可以同時拾取兩條指令,三發射則自然就是三條了。
現代高級處理器已經很少有單發射的實現,例如Cortex A8和A9都是雙發射的RISC,而Cortex A15則是三發射。ATOM是雙發射CISC,Core系列甚至做到了四發射——這個方面大家倒是不相上下,但是不要忘了CISC的指令更加復雜,也就意味著指令更加強大,還是吃飯的例子,CISC只需要1個指令,而RISC需要5個,那么在內存帶寬相同的情況下,CISC能達到的性能是要超過RISC的(就吃飯而言是5倍),而實際中CISC的Core i處理器內存帶寬已經超過了100GB/s,而ARM還在為10GB/s而苦苦奮斗,一個更加吃帶寬的架構,帶寬卻只有別人的十分之一,性能自然會受到非常大的制約。為什么說ARM和X86不好比,這也是很重要的一個原因,因為不同的應用對帶寬需求是不同的。一旦遇到帶寬瓶頸,哪怕ARM處理器已經達到了很高的運算性能,實際上根本發揮不出來,自然也就會落敗了。
說到這兒大家應該也已經明白CISC和RISC的區別和特色了。簡而言之,CISC實際上是以增加處理器本身復雜度作為代價,去換取更高的性能,而RISC則是將復雜度交給了編譯器,犧牲了程序大小和指令帶寬,換取了簡單和低功耗的硬件實現。

融合

但如果事情就這樣發展下去,為了提升性能,CISC的處理器將越來越大,而RISC需要的內存帶寬則會突破天際,這都是受到技術限制的。所以進十多年來,關于CISC和RISC的區分已經慢慢的在模糊,例如自P6體系(即Pentium Pro)以來,作為CISC代表的X86架構引入了微碼概念,與此對應的,處理器內部也增加了所謂的譯碼器,負責將傳統的CISC指令“拆包”為更加短小的微碼(uOPs)。一條CISC指令進來以后,會被譯碼器拆分為數量不等的微碼,然后送入處理器的執行管線——這實際上可以理解為RISC內核+CISC解碼器。而RISC也引入了指令集這個就邏輯角度而言非常不精簡的東西,來增加運算性能。正常而言,一條X86指令會被拆解為2~4個uOPs,平均來看就是3個,因此同樣的指令密度下,目前X86的實際指令執行能力應該大約是ARM的3倍左右。不過不要忘了這是基于“同樣指令密度”下的一個假設,實際上X86可以達到的指令密度是十倍甚至百倍于ARM的

指令集

最后一個需要考慮的地方就是指令集。這個東西的引入,是為了加速處理器在某些特定應用上性能而設計的,已經有了幾十年的歷史了。而實際上在目前的應用環境內,起到決定作用的很多時候是指令集而不是CPU核心。X86架構的強大,很多時候也源于指令集的強大,比如我們知道的ATOM,雖然它的X86核心非常羸弱,但是由于它支持SSE3,在很多時候性能甚至可以超過核心性能遠遠強大于它的Pentium M,這就是指令集的威力。目前X86指令集已經從MMX,發展到了SSE,AVX,而ARM依然還只有簡單而基礎的NEON。它們之間不成比例的差距造成了實際應用中成百上千倍的性能落差,例如即便是現今最強大的ARM內核依然還在為軟解1080p H.264而奮斗,但一顆普通的中端Core i處理器卻可以用接近十倍播放速度的速度去壓縮1080p H.264視頻。至少在這點上,說PC處理器的性能百倍于ARM是無可辯駁的,而實際中這樣的例子比比皆是。這也是為什么我在之前說平均下來ARM只有X86幾十分之一的性能的原因。

各有優勢

打了這么多字,其實就是為了說明一點,雖然現在ARM很強大,但它距離X86還是非常遙遠,并沒有因為這幾年的進步而縮短,實際上反而在被更快的拉大。畢竟它們設計的出發點不一樣,因此根本不具備多少可比性,X86無法做到ARM的功耗,而ARM也無法做到X86的性能。
這也是為什么ATOM一直以來都不成功的原因所在——Intel試圖用自己的短處去和別人的長處對抗,結果自然是不太好的,要不是Intel擁有這個星球上最先進的半導體工藝,ATOM根本都不可能出現。而ARM如果嘗試去和X86拼性能,那結果自然也好不到哪兒去,原因剛剛也解釋過了。
不過這也不意味著ARM以后就只能占據低端,畢竟任何架構都有其優點,一旦有應用針對其進行優化,那么就可以揚長避短。X86的繁榮也正是因為整個世界的資源都針對它進行了優化所致。只要能為ARM找到合適的應用與適合的領域,未來ARM也未必不可以進入更高的層次。
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網友最新評論 (3)

  1. 呵呵,好文一定要頂,支持
    美琳 4年前 (2015-12-12) 回復 編輯
  2. 好文!必須頂!謝謝您的點播!
    不信這樣文 4年前 (2016-05-14) 回復 編輯
  3. 很好的文章,受益匪淺。 很明確的寫出了arm和x86的性能比較
    WuSiYu 3年前 (2016-12-30) 回復 編輯
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