目前RISC-V和ARM的主要差距體現在上下游產業生態和規模化應用上，這是擺在RISC-V陣營的玩家們面前最大的挑戰和難題。

我們指揮電腦工作，不能簡單的和電腦說：“嘿，幫我運行個程序。”因為計算機只能理解0和1組成的指令（機器語言），難道人類要想操作電腦就需要輸入成千上萬的0和1嗎？稍微了解編程的朋友知道，使用編程語言讓電腦輸出“hello,world”只需要一行簡單代碼：

printf (“hello,world ”);? ?//c語言描述

print(hello,world)? #Python語音描述

這就比只有0和1的命令簡單明了的多。事實上當計算機運行這行代碼時，CPU收到的依舊是只有0和1的命令串，這中間的變化，就是指令集（ISA）與編程語言（匯編+高級）共同幫我們翻譯的，指令集則是最接近機器語言的“翻譯官”。簡單的說，指令集就是一串串二進制機器語言的合集，用來描述這些二進制指令的語言叫做匯編語言，后來又出現了許多編譯器和高級語言來幫助程序員更方便的編程。本文將要講到的RISC-V與ARM都是指令集的一種。

Add Immediate指令（二進制機器語言）

圖源 | 維基百科

要想設計一個處理器，第一步就需要確定這這顆處理器使用的指令集是什么。指令集決定了這顆芯片在工作時具體的計算方式，芯片上數量眾多又復雜晶體管其實就是將指令集用電路固定下來。

總而言之，指令集對芯片來說十分重要，它能直接決定芯片的電路布局方式，是每一種新型的CPU在設計時就規定的一系列與硬件電路相配合的指令系統。而指令集的先進與否，也關系到CPU的性能發揮，它也是CPU性能體現的一個重要標志。

目前指令集也分為兩類，精簡指令集和復雜指令集，但它們的區別并不是二進制命令的長短。

復雜指令集VS精簡指令集

指令集剛誕生時較為繁瑣，人們通過優化將部分指令打包在一起，再把一些原來由軟件實現的、常用的功能改用硬件的指令系統實現，以此來提高計算機的執行速度，這種指令集稱為復雜指令集（Complex Instruction Set Computer，CISC）。在復雜指令集中，存儲器讀取、存儲和計算操作往往全部集中于單一指令中。復雜指令集的特點是指令數目多而復雜，每條指令字長并不相等，電腦必須加以判讀，并為此付出額外性能。

20世紀80年代，為了解決計算機性能不足的問題，人們找到了另一種優化指令集的方法。芯片設計師選擇僅保留一些功能簡單，執行快速的簡單命令，將復雜程序用用一段程序來實現，這種指令集就被稱為精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer，RISC）。RISC屬于等長指令集，CPU在執行指令的時候速度較快且性能穩定。與復雜指令集相比，精簡指令集更容易實現諸如程序調用和返回，循環等指令，指令并行執行程度更好，編譯器的效率更高。

RISC與CISC指令的區別

圖源 | Tech Journeyman

既然RISC優勢這么明顯，那是不是RISC必然會替代所有CISC指令集了呢？

并沒有，與CISC相比，RISC指令集也有自身不足。雖然RISC指令較為簡單，但其本身擁有的指令較少，在完成某些任務的時候需要執行更多指令，這也使得RISC在編譯時代碼長度要顯著長與CISC，因此也需要占用更多內存，編譯難度也會增加。

業內有專家曾分析RISC的缺點：“執行同樣的功能，一個RISC程序比一個CISC程序長30%。同時，RISC對編譯器要求較高，優化編譯器是一項極其復雜且技術要求很高的工作，它必須由RISC機制造單位自身編制，因為沒有RISC詳細原始資料不可能產生編譯程序的目標代碼。因此這會讓第三方公司增加額外的軟件配套費用。”

RISC與CISC，本質上并無優劣之分，只有適用場景的不同。例如屬于復雜指令集的x86架構，讓英特爾與AMD處理器產品在CPU領域保持著絕對優勢。因為桌面端或服務器端處理器相比移動端能夠較少考慮功耗與續航問題，因此它們的性能足夠強悍，不會被CISC的特性拖累，反而可以更高效的執行復雜任務。但移動端計算機（手機、平板電腦等）的處理器在設計時，除了要考慮性能外，功耗與散熱同樣重要，這就給了RISC指令集發展空間，因此在移動端市場爆發時期，屬于RISC指令集的ARM架構脫穎而出，目前占據了最多移動端市場，我們熟悉的高通驍龍系列與三星Exynos系列芯片均使用了ARM公司的IP核心。

RISC-V與ARM的誕生

ARM芯片的誕生十分有戲劇性。

1981年，剛成立3年的Acorn公司（橡果電腦有限公司）獲得了英國廣播公司生產電腦的訂單。但那時處理器正處于8位與16位的更替時期，Acorn沒有符合需求的芯片，于是它們轉頭向摩托羅拉尋求幫助 。摩托羅拉雖然提供了16位芯片產品，但由于芯片中斷響應時間過長，最終沒有通過評估。

Acorn決定向英特爾尋求幫助，希望對方提供一些80286處理器的設計資料和樣品，但是卻遭到回絕。Acorn一氣之下決定自己制造芯片，經過多年的艱苦奮斗，兩位來自劍橋大學的科學家最終完成了自己的芯片設計，并將它命名為Acorn RISC Machine，也就是ARM芯片，RISC就是前文提到的精簡指令集。1990年11月27日，Acorn公司正式改組為ARM計算機公司。

經過多年的發展，如今的ARM早已不再是面對英特爾時“吃癟”的小公司。當前ARM的Cortex核心已經得到市場的廣泛認可，小到兒童手表、智能手機，大到數字電視、智能汽車、CT機，基于ARM架構的芯片已經覆蓋先當多電氣設備。ARM在移動端儼然已獲得當年英特爾在處理器領域的地位。

ARM處理器架構分類

圖源 | Circuit Digest

屠龍者終成“惡龍”，那RISC-V這位 “勇士”又該怎么挑戰ARM呢？我們先來認識一下RISC-V，并對比一下它們有什么區別。

RISC-V是加州大學伯克利分校 RISC ISA 設計的第五版。羅馬數字“V”表示“變體”和“向量”，表示它支持一系列計算機體系結構研究。2010年，當時加州大學伯克利分校計算機系教授Krste Asanovi? 博士想要制定一個像Linux 一樣的開源計算機系統規范。

在獲得了David Patterson 博士的幫助后，它們于1990 年代開始RISC 芯片的設計工作，最終形成了 RISC-V。后來，RISC-V 基金會成立，旨在維護、宣傳和管理RISC-IV IP，并協助廠商相互合作。此后由于美國對先進芯片的出口限制，RISC-V基金會從美國加利福尼亞州轉移到瑞士工作。目前，它在 50 個國家和地區擁有約 1,000 多個會員（公司），其中包括華為、阿里巴巴、谷歌、英偉達 和 IBM 等重量級企業。

RISC-V VS ARM

RISC-V與ARM一樣，都是屬于RISC精簡指令集，目前網上已經有很多媒體分析過這兩種指令集開源與封閉、免費和收費的區別，今天我們一起看看它們在架構上有什么異同。

從內存交互方式看，RISC-V與ARM都使用加載-存儲體系結構，即只有在存和取數據時可以訪問存儲器（內存），運算型指令操作均在CPU內完成，最終的計算結果也將寫回內存中。但兩種指令集的字節順序（Endianness）不同，字節順序是字節在存儲在內存中或通過數字鏈接傳輸時被安排成更大數值的順序，可根據高位優先與低位優先分成兩種：大端模式（高位優先，Big-endian）或小端模式（低位優先，Little-endian）。

ARM處理器默認是小端模式，但也支持大端模式，而RISC-V僅支持小端模式，兩種模式沒有優劣之分，僅在數據處理時有不同的優點。

從架構復雜程度看，RISC-V本身非常簡單，基礎指令集則只有40多條，加上其他的模塊化擴展指令總共幾十條指令，其規范文檔僅有145頁，而“特權架構文檔”的篇幅也僅為91頁。ARM由于是一種封閉的指令集架構，所有廠商在采用ARM IP核心后，不能基于原有設計自行更改芯片，企業只能調整自身需求來迎合ARM核心。經過多年的發展，ARM指令集變得極其復雜和繁瑣，相應的架構文檔有上千頁。這也變相導致了ARM處理器的研發門檻要遠高于RISC-V。

從定制化方面看，RISC-V沒有針對任何功能、架構或目標進行過度優化，因此它能適用于幾乎所有計算場景。ARM針對智能手機的優化程度要高于對筆記本電腦、臺式機和服務器的優化程度。正因如此，ARM芯片在移動端領域有著無可撼動的統治力。

總結

從以上內容可以看出，RISC-V與ARM雖然同為RISC精簡指令集，但在指令集特性上各有不同。除了開源與免費，簡單和低開發門檻也是RISC-V挑戰ARM的殺手锏。

而目前RISC-V和ARM的主要差距體現在上下游產業生態和規模化應用上，這是擺在RISC-V陣營的玩家們面前最大的挑戰和難題。

審核編輯：劉清