剛?cè)胧至薙ONY Xperia Z5 Premium匈庭，其CPU采用了爭（fa）議（re）較大的驍龍（Snapdragon ）810灵迫，那就借此機會談?wù)勱P(guān)于桌面CPU和移動CPU的一些東西吧。從小就比較喜歡數(shù)碼比較多蚕愤，買了很多這方面的書和雜志答恶，但是對于絕大多數(shù)數(shù)碼設(shè)備的核心CPU詳細(xì)的一些技術(shù)參數(shù)也只是淺嘗輒止未嘗深究。上大學(xué)以后萍诱，關(guān)注數(shù)碼動態(tài)不多了悬嗓，反而更加想去了解之前不怎么探究的微觀參數(shù)了。好吧裕坊，我也不是科班出身包竹，只是憑著愛好不斷地追尋和了解，所以下文只是個人的一些看法與總結(jié)碍庵，多多交流多多批評映企！
忽然覺得自己這點知識儲備居然要論述這么大的一個問題，還是有點頭痛啊静浴。我們電力系統(tǒng)分析老師在課上有句話我感覺說的特別好堰氓，「你要給別人一滴水，首先你要有一桶水」苹享。那么在下面我主要是以學(xué)習(xí)筆記的形式來展現(xiàn)吧双絮，希望能和大家共同探討浴麻，共同提高！發(fā)現(xiàn)錯誤請一定要指出囤攀！
一 CPU的架構(gòu)
1.1什么是CPU的架構(gòu)（Microarchitecture）软免？
1.1.1 微架構(gòu)
在今日沛简，管線資料路徑是微架構(gòu)中最常被使用的資料路徑。這種作法也被普遍的用于微處理器斥废，微控制器椒楣，以及數(shù)位訊號處理器。管線化的結(jié)構(gòu)允許多個指令在同一時間執(zhí)行牡肉，不同的指令在微架構(gòu)不同的位置執(zhí)行撒顿。管線分有好幾個不同的階段（stage），這些階段是微架構(gòu)的基礎(chǔ)荚板。這些階段包含擷取指令，指令解碼吩屹，執(zhí)行指令跪另，以及將資料寫回。一些結(jié)構(gòu)還包含其他階段煤搜，像是對記憶體做存取的動作免绿。管線是微架構(gòu)其中一項主要的工作。執(zhí)行單元也是微架構(gòu)的基本元件擦盾。執(zhí)行單元包含算術(shù)邏輯單元（ALU）嘲驾，浮點運算器（FPU），load/store單元迹卢，分支預(yù)測辽故，以及SIMD。這些單元在處理器內(nèi)進行計算腐碱。執(zhí)行單元的數(shù)量誊垢，他們的latency（記憶體存取資料的時間）及throughput（將資料存到或是讀取出記憶體的速度）影響微架構(gòu)的效能。
有點不知所以對吧，那就用相對通俗的語言來介紹一下：CPU的架構(gòu)就是指「接受和處理信號的方式」喂走，也就是說殃饿，CPU就是一個工廠，不斷的接受到信號芋肠，并且處理（運算）這些信號乎芳，架構(gòu)就是在工廠里如何布置那些機器，讓機器快速的能夠進行以上的那些工序帖池。
CPU的基本組成單元即為核心（core）奈惑，而核心的實現(xiàn)方式即被稱為微架構(gòu)。微架構(gòu)的設(shè)計影響核心可以達到的最高頻率碘裕、核心在一定頻率下能執(zhí)行的運算量携取、一定工藝水平下核心的能耗水平等等。
1.1.2 微架構(gòu)的發(fā)展歷程
推動計算機性能提升的一個車輪是半導(dǎo)體的微型化帮孔，另一個車輪就是微架構(gòu)的改進雷滋，使得單位時間內(nèi)可執(zhí)行的指令更多。
1.1.2.1 微架構(gòu)的發(fā)展之路
微架構(gòu)的發(fā)展歷史就是縮短程序運行時間的奮斗史文兢。下面我們來走馬觀花的看看現(xiàn)代處理器是用的這些主要技術(shù)的發(fā)展史晤斩。
- 流水線處理
- 運算器高速化
- RISC和CISC
- 超標(biāo)量執(zhí)行
- 亂序執(zhí)行
- 分之預(yù)測
- 緩存
- 多核心
「流水線處理」就是用流水線方式執(zhí)行指令，以提高指令的處理速度姆坚。計算機是進行計算的機器澳泵，擁有各種運算的單元，讓這些運算能告訴執(zhí)行非常重要兼呵。
x86等CISC（Complex Instruction Set Computer兔辅，復(fù)雜指令計算機）處理器的指令很復(fù)雜，很難采用流水線處理击喂。而RISC（Reduced Instruction Set Computer维苔，精簡指令集計算機）是容易進行流水線處理的簡單指令架構(gòu)，以在小型硬件上高速運行為目標(biāo)懂昂〗槭保可以認(rèn)為，RISC是為了實現(xiàn)比CISC更優(yōu)秀的微架構(gòu)而重新設(shè)計的指令架構(gòu)凌彬。
將流水線處理進一步發(fā)展沸柔，設(shè)置多條流水線，并行處理多條指令铲敛，這就是「超標(biāo)量執(zhí)行」褐澎。但是，如果嚇一跳指令會用到當(dāng)前指令的計算結(jié)果伐蒋，這兩條結(jié)果就無法并行執(zhí)行乱凿。因此顽素，要改變程序中的指令順序，先執(zhí)行能執(zhí)行的指令徒蟆，從而提高處理速度胁出，這就是「亂序執(zhí)行」。此外段审，遇到條件分支時全蝶，盡管不知道接下來要執(zhí)行哪條指令，但可以進行預(yù)測寺枉，以提高執(zhí)行速度抑淫，這就是「分支預(yù)測」。
半導(dǎo)體的微型化（下一篇會介紹到）帶來了處理器的高速化姥闪，但是DRAM內(nèi)存的主要開發(fā)經(jīng)歷放在了如何增大內(nèi)存容量上始苇，速度提高比較緩慢。因此筐喳，處理器訪問內(nèi)存就要花費很長時間催式，導(dǎo)致整體性能無法提高。而在處理器中設(shè)置小容量避归、高速度的存儲器荣月，就能解決內(nèi)存訪問時間過場的問題，這就是「高速緩存」技術(shù)梳毙。
像這樣哺窄，人們實現(xiàn)了眾多處理器高速化技術(shù)，但實現(xiàn)這些機制需要大量的晶體管账锹，耗電量也相應(yīng)增大萌业。為此，與其在每個處理器中嵌入越來越多的晶體管提升性能奸柬，還不如制作多個適當(dāng)大小的處理器咽白，這樣同樣的耗電量能夠獲得更高的性能，這就是這幾年來流行的「多核心」技術(shù)鸟缕。
1.1.2.2 指令架構(gòu)
指令架構(gòu)規(guī)定了處理器執(zhí)行指令的方式及執(zhí)行結(jié)果的樣子等「處理器的行為」。指令架構(gòu)只規(guī)定了處理器執(zhí)行什么指令排抬、執(zhí)行結(jié)果如何懂从，但沒有規(guī)定處理器內(nèi)部的實現(xiàn)方式。相對于指令架構(gòu)的蹲蒲，具體的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)就是我們上面說的微架構(gòu)啦番甩。
在程序運行方面，相同指令架構(gòu)下可以運行相同的軟件届搁，而不同的微架構(gòu)表現(xiàn)的性能會不同缘薛。
最早的電子計算機的速度大大超過機械式計算機窍育，但是人們注意到，計算變快宴胧、處理時間縮短之后漱抓，人們在更換程序或鍵盤輸入時，計算機就無所事事了恕齐，十分浪費乞娄。因此，人們把程序像數(shù)據(jù)那樣加載到內(nèi)存中運行显歧。進一步仪或，為了讓同一程序能在其他計算機上運行，人們設(shè)計了虛擬內(nèi)存士骤，能讓需要大量內(nèi)存的程序的運行不受物理內(nèi)存容量限制范删；確立了程序和硬件之間的接口——指令架構(gòu)。
所以說拷肌，生產(chǎn)CPU的廠家不斷的優(yōu)化微架構(gòu)到旦，想不斷的提高運行的效率，也就是說指令容易快速地在管線內(nèi)被擷取廓块，解碼與執(zhí)行厢绝，由于指令頻繁的被使用带猴，快取便被頻繁的使用昔汉，這樣就使記憶體存取的時間降低拴清。當(dāng)然靶病，架構(gòu)的升級不一定就是完全是好的，比如今年高通公司采用了ARM公司的big.LITTLE架構(gòu)口予，并且用在了其拳頭產(chǎn)品驍龍810上娄周，可是……
我們知道，在最新一級旗艦產(chǎn)品驍龍820已經(jīng)放棄了 ARM 的官方架構(gòu)沪停，轉(zhuǎn)而去重新自主設(shè)計架構(gòu)煤辨。（坑爹的big.LITTLE）
不過在桌面端，Intel公司有一個著名的戰(zhàn)略叫做Tick-Tock木张，也就是分別在奇數(shù)年和偶數(shù)年來更新架構(gòu)和工藝（制程）众辨，自從實行這個戰(zhàn)略以后，把老對手AMD甩出好幾條街舷礼，AMD也在自暴自棄鹃彻，在農(nóng)企的路上越走越遠(yuǎn)……
驍龍 820 集成新型 64 位定架構(gòu)制 Kryo 。借助完全定制自主設(shè)計的 CPU妻献，我們能夠更好地實施并優(yōu)化異構(gòu)計算架構(gòu) —— Qualcomm 中國
如果挑選一款CPU的話蛛株，一定要看看他的架構(gòu)团赁，一般來說，架構(gòu)越新相對來說是越好谨履！
1.2 移動端的架構(gòu)欢摄？
我們本可以大聲的喊出答案：ARM架構(gòu)！
但是屉符，最近幾年強大的高通已經(jīng)不滿足與ARM的公版架構(gòu)剧浸，轉(zhuǎn)而自行設(shè)計微架構(gòu)，同時矗钟，三星也傳出消息要設(shè)計自己的架構(gòu)唆香，有趣的是，高通公司的架構(gòu)名稱為環(huán)蛇吨艇，在Exynos7420上大獲成功的三星針鋒相對躬它，將下一代自行設(shè)計的微架構(gòu)叫做貓鼬（Mongoose）（環(huán)蛇的天敵）《校看得出來冯吓，三星在2015年將高通驍龍系列按在地上摩擦以后，腰桿變硬許多疮跑，胸前的紅領(lǐng)巾更加鮮艷了……
話又說回來掀潮，即便是有些公司采用了自己的微架構(gòu)，但是在根本上琼富，還是采用了ARM的架構(gòu)仪吧。為什么這么說呢？
可能說到這鞠眉，還沒有對ARM進行介紹薯鼠，也許有些對數(shù)碼不太感冒的同學(xué)已經(jīng)迷茫了，別急械蹋，現(xiàn)在就來引入和介紹ARM公司與ARM架構(gòu)出皇。ARM有好幾個概念，分別是：
- ARM公司
ARM是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán) (IP) 提供商朝蜘。全世界超過95%的智能手機和平板電腦都采用ARM架構(gòu)。ARM設(shè)計了大量高性價比涩金、耗能低的RISC處理器谱醇、相關(guān)技術(shù)及軟件暇仲。ARM公司并不像INTEL那樣直接將芯片賣給消費者，ARM公司既不生產(chǎn)芯片也不銷售芯片副渴，它只出售芯片技術(shù)授權(quán)：比如我們買了一款三星手機奈附，他采用了三星自己開發(fā)的一個手機芯片，這個芯片內(nèi)部包括了幾個部分組成煮剧，比如一個負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理的“CPU”斥滤，一個負(fù)責(zé)圖形處的“GPU”等憾赁，那么蓉媳，這個負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理運算的“CPU”，正是來自ARM公司設(shè)計狡耻。 - ARM架構(gòu)
過去稱作進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine草娜，更早稱作：Acorn RISC Machine）挑胸，是一個32位精簡指令集（RISC）處理器架構(gòu)，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計宰闰。由于節(jié)能的特點茬贵，ARM處理器非常適用于移動通訊領(lǐng)域，符合其主要設(shè)計目標(biāo)為低耗電的特性移袍。ARM公司研發(fā)的Cortex系列是現(xiàn)在大部分芯片所采用的微架構(gòu)解藻。ARM微架構(gòu) - ARM體系
我更喜歡叫它指令集架構(gòu)，目前典型的有ARMv5 ARMv6 ARMv7以及最新的64位ARM指令集ARMv8等等葡盗，這個類似于臺式機上的IA32螟左、IA64，他是一個指令集戳粒，僅僅定義了機器指令路狮，寄存器結(jié)構(gòu)等等軟件開發(fā)者可以看到的最底層的東西，是軟硬件的接口蔚约。
注意微架構(gòu)與指令集是兩個概念：指令集是CPU選擇的語言奄妨，而微架構(gòu)是具體的實現(xiàn)。
補充關(guān)于指令集的知識：
CPU執(zhí)行計算任務(wù)時都需要遵從一定的規(guī)范苹祟，程序在被執(zhí)行前都需要先翻譯為CPU可以理解的語言砸抛。這種規(guī)范或語言就是指令集（ISA，Instruction Set Architecture）树枫。程序被按照某種指令集的規(guī)范翻譯為CPU可識別的底層代碼的過程叫做編譯（compile）直焙。x86、ARM v8砂轻、MIPS都是指令集的代號奔誓。指令集可以被擴展，如x86增加64位支持就有了x86-64搔涝。廠商開發(fā)兼容某種指令集的CPU需要指令集專利持有者授權(quán)厨喂，典型例子如Intel授權(quán)AMD和措，使后者可以開發(fā)兼容x86指令集的CPU。
目前市場上很多的CPU蜕煌，比如水果6s上逆天的A9,三星s6e+上的Exynos 7420（big.LITTLE架構(gòu)CortexA57+CortexA53）派阱，都是廠商兼容ARM指令集而自主研發(fā)的微架構(gòu)，都可以成為是廠商自己研發(fā)的CPU斜纪。而相對于有些芯片廠商僅僅是在ARM購買微架構(gòu)來組裝芯片就不能被稱作CPU研發(fā)企業(yè)的贫母，比如之前的榮耀上的Kirin920、MX4Pro上的Exynos 5430等等盒刚。當(dāng)然腺劣，在上面那個圖里也可見看到有為嵌入式設(shè)備設(shè)計的的Cortex-Mx系列，之前曾經(jīng)用過的MK60就是基于Cortex-M0架構(gòu)的一款CPU伪冰，繼而封裝成了一片MCU誓酒。
1.3 栗子與展望2016
在2015年，移動端CPU是不同尋常的一年贮聂。三星在高通的屋檐下待了N多年靠柑，今年終于憑借使用7420的s6和s6e打了一個翻身仗（功勞主要在下面要談到的工藝上，當(dāng)然和微架構(gòu)也不無關(guān)系）吓懈，在2015Q3智能手機出貨量來看歼冰，三星名列第一，并且出貨量和市場占有率已經(jīng)接近蘋果iPhone的兩倍耻警。2016年三星的智能手機采用自主微架構(gòu)（貓鼬）的64位芯片Exynos8890隔嫡，性能及市場表現(xiàn)值得我們期待。
而在2015年甘穿，三星在處理器端的老大哥 高通 的日子真的不好過腮恩，由于驍龍810散熱問題芯片賣不出去，還要面對驍龍810手機表現(xiàn)甚至不如去年的驍龍801和驍龍805手機的事實温兼，又被中國政府找了麻煩交了罰款秸滴。所以2016年，習(xí)慣了作為智能手機市場執(zhí)牛耳者的高通募判，必然會做出大動作荡含，當(dāng)然我們也已經(jīng)知道了，驍龍820已經(jīng)放棄了 ARM 的官方架構(gòu)届垫，轉(zhuǎn)而去重新自主設(shè)計架構(gòu)Kyro释液。希望高通能通過驍龍820橫掃810帶來的陰霾，打一個漂亮的翻身仗吧装处，并且能給這個疲軟的市場一劑強心針误债。
關(guān)于big.LITTLE
Mr Big先生主要處理具有挑戰(zhàn)性的重任糟袁，Little小姐則負(fù)責(zé)小任務(wù)。我們這樣比喻躺盛，在大掃除的時候，男同學(xué)負(fù)責(zé)提水形帮、抬桌子抬椅子槽惫，女同學(xué)負(fù)責(zé)掃地擦黑板。當(dāng)手機不需要工作時辩撑，Big核心和LITTLE核心都可以停下來休息界斜。
基于big.LITTLE技術(shù)的八核處理器，并沒有將傳統(tǒng)內(nèi)核放在單一的處理器上合冀，而是一分為二各薇，其中一個使用了4個“小核心”，另一個則使用了4個“大核心”君躺，這兩個“核心”都有著自己獨立的速度和性能峭判。通過兩大核心自主運行，搭載Big.little技術(shù)的處理器比之前的手機CPU更加高效棕叫，畢竟后者只有一個或者兩個內(nèi)核林螃。
當(dāng)需要用智能手機打開一個網(wǎng)頁時，手機就可以用一個大的內(nèi)核來處理該任務(wù)俺泣，而小的內(nèi)核則同時處理其他小任務(wù)疗认，比如查看電子郵件、撥打電話等伏钠。
ARM解釋道横漏，big.LITTLE是一種節(jié)能省耗技術(shù)，最高性能的ARM CPU核心與最高效的ARM CPU核心相結(jié)合熟掂，可以以更低的功耗提供最好的工作性能缎浇，最快的處理任務(wù)速度。
設(shè)想是美好的打掘，可是……A53 的 TDP （設(shè)計熱功耗）要比 A57 低數(shù)倍不止华畏，甚至在低頻模式下 A57 的功耗也要比 A53 高，這本來是個合作共贏的好事尊蚁，不過高通給出的原因是由于采用的ARM Cortex A57核心架構(gòu)出現(xiàn)了發(fā)熱問題亡笑，這就造成了一個怪現(xiàn)象 A53 性能不夠，而 A57 又太費電溫度太高横朋。當(dāng)然不是沒有解決辦法仑乌，對于 A57 這個耗電大戶ARM官方的建議是使用 big.LITTLE 大小核切換技術(shù)還有更低功耗的 FinFET 晶體管制程。
「可是，可是晰甚，你看看人家三星同樣采用這套64位核心架構(gòu)的Exynos 7420性能卻相對穩(wěn)定呀衙传！其中最重要的原因就是三星采用了自家最新的14nm工藝，而高通采用的而是20nm工藝（下面馬上就要講到工藝?yán)玻?/strong>）厕九”痛罚」
那么問題就來了，且不說 FinFET 根本上就沒幾個廠家用上扁远，就 big.LITTLE 這個技術(shù)也有不小的問題俊鱼。在切換大小核的時候甚至?xí)霈F(xiàn)毫秒級的延遲，這對手機的體驗甚至是致命的畅买。
不過就算是現(xiàn)在公認(rèn)的最好采用 big.LITTLE 的 Exynos 7420 也沒有解決切換延遲問題并闲，與驍龍801對比切換軟件明顯會有卡頓，而且四個 A57 同時工作的時候溫度很嚇人谷羞，驍龍810就是最大的受害者帝火，一旦溫度上去就要降頻這就造成了驍龍810的性能嚴(yán)重下降。
這不就印證了前面我們曾經(jīng)談到的觀點嗎湃缎？「一般來說犀填，架構(gòu)越新相對來說是越好」。不過在2015年來看嗓违，ARM給出的這次公版架構(gòu)宏浩，可是把高通搞得有點暈頭轉(zhuǎn)向。
所以我現(xiàn)在手頭上用的Z5P靠瞎，用著驍龍810比庄，索尼也是拿出了黑科技來鎮(zhèn)壓。在驅(qū)動之家的Z5P評測上的標(biāo)題是「鎮(zhèn)壓驍龍810 索尼Z5用上了雙熱管+硅脂」……
1.4 當(dāng)下的手機市場與總結(jié)
Cortex A57性能固然強悍乏盐，可是高通卻沒有駕馭得了佳窑。在各個手機廠商搭載了這顆CPU的旗艦手機一個個相繼淪為暖手寶的時候，高通只能無奈的推出了驍龍808父能，也就是減少了兩個Cortex A57大核心采用6核方案緩解發(fā)熱問題神凑。而在三星和高通的巔峰對決之外，MTK很聰明的用了8個Cortex-A53小核心推出自己的旗艦Helio X10繼續(xù)鞏固著自己的中低端市場份額何吝，讓驍龍615銷量慘淡溉委。Helio X10的穩(wěn)定性好，性能夠用爱榕，這也是很多國內(nèi)千元機市場的首選CPU瓣喊。
說到這，大家應(yīng)該能夠感覺得到工藝和架構(gòu)對于cpu的影響不亞于核心數(shù)和頻率了黔酥。再舉個栗子吧藻三，如今主流手機CPU都是六核洪橘，八核，聯(lián)發(fā)科甚至開始研發(fā)十核了棵帽，為什么性能和桌面端CPU還是有一定的差距呢熄求？沒錯，指令集不一樣逗概，核心架構(gòu)不一樣是最根本的原因弟晚。復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）和X86、X64的微架構(gòu)與手機完全不同逾苫。手機多核其實應(yīng)該叫多CPU,將多個CPU芯片封裝起來處理不同的事情指巡，就是大家所說的膠水核心，也就是被強行粘在一起的意思隶垮。在待機或者空閑的時候，八核的手機也只能用到一至兩個核心秘噪。而電腦則不同狸吞，桌面端的多核處理器是指在一個處理器上集成了多個運算核心，通過相互配合指煎、相互協(xié)作可以處理同一件事情蹋偏，是多個并行的個體封裝在了一起。用一句話概括至壤，就是并行處理威始，雙核就是單車道變多車道。這不是說優(yōu)劣的問題像街，而是定位的不一樣黎棠。手機CPU要功耗低、廉價镰绎。所以采用ARM架構(gòu)的CPU脓斩，運算能力大大低于電腦CPU的運算能力，同等頻率CPU浮點運算能力相差在幾千到上萬倍畴栖。
好吧星立，寫到這里，已經(jīng)寫了不少了葬凳，自己也把架構(gòu)方面的知識復(fù)習(xí)了一下绰垂。那么下面一篇就是要關(guān)于CPU的工藝了，敬請期待火焰！
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本文援引了很多的數(shù)據(jù)劲装、觀點、資料昌简，若有侵權(quán)占业，立刪！
部分參考資料：
《電的旅程：探索人類駕馭電子的歷史過程》（張大凱）湖南科技出版社
《浪潮之巔》（吳軍）電子工業(yè)出版社
《支撐處理器的技術(shù):永無止境地追求速度的世界》（Hisa Ando纯赎，李劍 譯）電子工業(yè)出版社 本文很多資料都出自于此谦疾，五星推薦！
2016旗艦芯誰爭鋒犬金？高通驍龍820念恍、三星Exynos 8890、華為麒麟950還是MTK：
http://www.cnbeta.com/articles/449055.htm
驍龍810+10=驍龍820晚顷？ 才不是那么簡單呢峰伙！這是高通的自我救贖：
http://weibo.com/p/1001603892308377533736
四核成主流：七大主流平板處理器解析：
http://www.cnmo.com/pad/231340.html
寫在驍龍820和Exynos 8890之前：手機cpu淺談：
http://post.smzdm.com/p/396980/
ARM處理器全解析：A8/A9/A15都是什么？：
http://news.mydrivers.com/1/250/250003_all.htm#2
關(guān)于CPU该默、指令集瞳氓、架構(gòu)、芯片的一些科普：
http://zhuanlan.zhihu.com/xpenrynidea/19893066
三星大殺器“貓鼬” 驍龍820哭暈在廁所：
http://www.pcpop.com/doc/1/1121/1121698.shtml
