ARM將在更多的應(yīng)用場合替代x86

x86概述

X86是由Intel推出的一種復(fù)雜指令集，用于控制芯片的運(yùn)行的程序，現(xiàn)在X86已經(jīng)廣泛運(yùn)用到了家用PC(機(jī)箱+xx主板+xx電源+xx處理器+(光驅(qū)選裝)的領(lǐng)域。

x86架構(gòu)于1978年推出的Intel 8086中央處理器中首度出現(xiàn)，它是從Intel 8008處理器中發(fā)展而來的，而8008則是發(fā)展自Intel 4004的。8086在三年后為IBM PC所選用，之后x86便成為了個(gè)人計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，成為了歷來最成功的CPU架構(gòu)。

x86架構(gòu)是重要地可變指令長度的CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)，Complex InstrucTIon Set Computer)。字組(word， 4字節(jié))長度的存儲(chǔ)器訪問允許不對齊存儲(chǔ)器地址，字組是以低位字節(jié)在前的順序儲(chǔ)存在存儲(chǔ)器中。向前兼容性一直都是在x86架構(gòu)的發(fā)展背后一股驅(qū)動(dòng)力量(設(shè)計(jì)的需要決定了這項(xiàng)因素而常常導(dǎo)致批評，尤其是來自對手處理器的擁護(hù)者和理論界，他們對于一個(gè)被廣泛認(rèn)為是是落后設(shè)計(jì)的架構(gòu)的持續(xù)成功感到不解)。但在較新的微架構(gòu)中，x86處理器會(huì)把x86指令轉(zhuǎn)換為更像RISC的微指令再予執(zhí)行，從而獲得可與RISC比擬的超標(biāo)量性能，而仍然保持向前兼容。x86架構(gòu)的處理器一共有四種執(zhí)行模式，分別是真實(shí)模式，保護(hù)模式，系統(tǒng)管理模式以及虛擬V86模式。

ARM架構(gòu)

下圖所示的是ARM構(gòu)架圖。它由32位ALU、若干個(gè)32位通用寄存器以及狀態(tài)寄存器、32&TImes;8位乘法器、32&TImes;32位桶形移位寄存器、指令譯碼以及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù)/地址寄存器組成。

1.ALU：它有兩個(gè)操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果以及零檢測邏輯構(gòu)成。

2.桶形移位寄存器：ARM采用了32&TImes;32位的桶形移位寄存器，這樣可以使在左移/右移n位、環(huán)移n位和算術(shù)右移n位等都可以一次完成。

3.高速乘法器：乘法器一般采用“加一移位”的方法來實(shí)現(xiàn)乘法。ARM為了提高運(yùn)算速度，則采用兩位乘法的方法，根據(jù)乘數(shù)的2位來實(shí)現(xiàn)“加一移位”運(yùn)算;ARM高速乘法器采用32&TImes;8位的結(jié)構(gòu)，這樣，可以降低集成度(其相應(yīng)芯片面積不到并行乘法器的1/3)。

4.浮點(diǎn)部件：浮點(diǎn)部件是作為選件供ARM構(gòu)架使用。FPA10浮點(diǎn)加速器是作為協(xié)處理方式與ARM相連，并通過協(xié)處理指令的解釋來執(zhí)行。

5.控制器：ARM的控制器采用的是硬接線的可編程邏輯陣列PLA。

6.寄存器

除了用戶模式之外的其他6種處理器模式稱為特權(quán)模式(PrivilegedModes)。在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進(jìn)行處理器模式的切換。其中，除系統(tǒng)模式外，其他5種特權(quán)模式又稱為異常模式。

處理器模式可以通過軟件控制進(jìn)行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進(jìn)行切換。大多數(shù)的用戶程序運(yùn)行在用戶模式下，這時(shí)，應(yīng)用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護(hù)的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進(jìn)行處理器模式的切換。當(dāng)需要進(jìn)行處理器模式的切換時(shí)，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進(jìn)行模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個(gè)系統(tǒng)的資源。

當(dāng)應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時(shí)，處理器進(jìn)入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式中都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進(jìn)入異常模式時(shí)，用戶模式下的寄存器(保證了程序運(yùn)行狀態(tài))不被破壞。

系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式的切換。它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時(shí)該任務(wù)仍然使用用戶模式下的寄存器組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)任務(wù)狀態(tài)不被破壞。

X86架構(gòu)與ARM架構(gòu)區(qū)別

1、性能

X86架構(gòu)的工業(yè)電腦比ARM架構(gòu)的工業(yè)電腦在性能方面要快得多、強(qiáng)得多。ARM的優(yōu)勢在于效率，ARM采用RISC流水線指令集，在完成綜合性工作處于劣勢，而在任務(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。

2、擴(kuò)展能力

X86架構(gòu)的工業(yè)電腦采用“橋”的方式與擴(kuò)展設(shè)備(如硬盤、內(nèi)存等)進(jìn)行連接，且X86架構(gòu)的工業(yè)電腦能很容易進(jìn)行性能擴(kuò)展，如增加內(nèi)存、硬盤等。

ARM架構(gòu)的工業(yè)電腦是通過專用的數(shù)據(jù)接口使CPU與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行連接，所以ARM的存儲(chǔ)、內(nèi)存等性能擴(kuò)展難以進(jìn)行(一般在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)定好其內(nèi)存及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的容量)，所以采用ARM架構(gòu)的工業(yè)電腦，一般不考慮擴(kuò)展。

3、操作系統(tǒng)的兼容性

幾乎所有X86硬件平臺(tái)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，也制約了ARM的發(fā)展和應(yīng)用。Android系統(tǒng)開發(fā)后，統(tǒng)一了ARM架構(gòu)電腦的操作系統(tǒng)，使新推出基于ARM架構(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(dòng)力。

4、軟件開發(fā)的方便性及可使用工具的多樣性

在軟件開發(fā)方面， X86架構(gòu)比ARM架構(gòu)更容易、更簡單、實(shí)際成本也更低，同時(shí)更容易找到第三方軟件(免去自己開發(fā)的時(shí)間和成本)，而且軟件移植更容易。

5、功耗

在服務(wù)器、工作站以及其他高性能運(yùn)算等應(yīng)用方面，不考慮功耗和使用環(huán)境等條件，X86占了優(yōu)絕對優(yōu)勢;但受功耗、環(huán)境等條件制約且工作任務(wù)固定的情況下ARM就占有很大的優(yōu)勢。

醫(yī)療設(shè)備逐漸從X86轉(zhuǎn)到ARM平臺(tái)主要原因是什么

醫(yī)療器械開發(fā)中，ARM替換x86很多場合不是性能問題，而是驅(qū)動(dòng)軟件支持問題，其中標(biāo)準(zhǔn)A4紙打印機(jī)即是最大的攔路虎之一，而致遠(yuǎn)電子ARM9、Cortex-A8、Cortex-A9核心板、工控板全線支持USB接口A4紙打印機(jī)，拔除攔路虎。

ARM與x86在性能、功耗、價(jià)格、體積等方面各有所長，2011年之前，公眾對于ARM與x86比較主要集中在各自優(yōu)劣勢的分析上。而2011年之后，輿論則開始習(xí)慣用“戰(zhàn)爭”來形容ARM與x86兩個(gè)陣營的關(guān)系。

自“戰(zhàn)爭”打響以來，ARM向x86傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)張正逐步深入，而x86向ARM應(yīng)用領(lǐng)域的滲透卻收效甚微(基于x86陣營主力Intel的盈利模式，有網(wǎng)友評論：這不是一個(gè)技術(shù)問題，而是一個(gè)商業(yè)問題)。

在工業(yè)與醫(yī)療領(lǐng)域，低端電子產(chǎn)品多采用ARM核的微控制器，高端應(yīng)用則屬于x86的傳統(tǒng)勢力范圍(如ATM、PIS、醫(yī)療影像系統(tǒng)、生化分析、血液分析)。x86對于ARM的優(yōu)勢，在諸多應(yīng)用場合依靠的是配套廠商在軟件、驅(qū)動(dòng)上的支持(如常規(guī)的USB接口打印機(jī))，而在性能、功耗、成本、軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度上皆可由ARM取代。

以醫(yī)療行業(yè)中大型生化分析儀、大型血液分析儀、健康管理一體機(jī)等為例，A4紙打印機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)配件，但基本所有打印機(jī)廠商僅支持Windows系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)或桌面linux系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，對運(yùn)行于ARM處理器上WinCE系統(tǒng)或嵌入式linux系統(tǒng)均不支持，僅打印機(jī)一項(xiàng)即限制了醫(yī)療器械廠家使用ARM處理器開發(fā)這幾類產(chǎn)品的意愿。

自2003年開始致遠(yuǎn)電子攜周立功單片機(jī)在全國范圍內(nèi)推廣ARM嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，先后開發(fā)了NXP、Samsung、TI(包括被收購的Luminary)、Intel(ARMxscale)、Freescale等品牌ARM處理器多達(dá)40余系列，產(chǎn)品在工業(yè)自動(dòng)化、電力、煤礦、軌道交通、醫(yī)療等行業(yè)應(yīng)用廣泛。

2014年，致遠(yuǎn)電子更是率先在ARM9、ARM11、Cortex-A8、Cortex-A9等運(yùn)行WinCE或嵌入式Linux系統(tǒng)的ARM處理器上支持了標(biāo)準(zhǔn)A4紙打印機(jī)，推動(dòng)ARM在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域替換x86應(yīng)用邁出堅(jiān)實(shí)的一步。

隨著ARM處理器性能提升、嵌入式開發(fā)人員整體技術(shù)水平的提高以及其他配套廠商對WinCE、嵌入式Linux、Andriod系統(tǒng)的支持，ARM勢必將在更多的應(yīng)用場合替代x86。