处理器构架RISC-V vs ARM：区别差异比较

RISC-V是一种基于精简指令集计算（RISC）原理的开源指令集架构（ISA），而ARM是一种专有ISA，一般存在于嵌入式系统和移动设备中，凭借多年行业经验和较高口碑赢得了广泛声誉。它们二者是关注度较高两种处理器架构。

那么，RISC-V和ARM构架究竟有哪些区别差异？在本文中，小编将主要介绍RISC-V和ARM相关内容，包括处理器架构、性能、功耗、生态系统等。通过提供全面的比较内容，希望大家对二者有更好的了解，以便选择最适合自己需求的构架系统。

关于指令集架构

每个处理器功能的核心在于其指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA），它是一个概述处理器可以理解和执行的指令集的框图，充当硬件和软件之间的基本桥梁，塑造处理器的功能和性能。ISA的选择会影响软件的开发方式，并对处理器的效率、兼容性和灵活性产生持久的影响。

ISA一般可分为两种类型：开放式和封闭式。封闭式ISA，例如ARM，是专有的，并由特定公司所有，提供既定的可靠性和兼容性，但限制定制。另外，以RISC-V为代表的开放ISA是社区维护，为定制提供更大的灵活性，促进创新和适应特定需求。

RISC-V和ARM之间差异和争论主要围绕着它们所体现的不同ISA展开，每种ISA都提供独特优势和方法来满足不断变化的计算需求。

RISC-V vs ARM：背景

RISC-V

众所周知，计算机体系结构的发展取得了重大进展。历史上x86架构占据主导地位，推动了英特尔等巨头的发展，但随着ARM的出现，故事的新篇章开始了。最初专注于为移动设备创建节能处理器，ARM成功鼓励了向精简指令集计算（RISC）架构的转变。

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虽然ARM确实在市场上取得了成功，但它是一种专有架构，需要支付许可费用并在定制方面受到限制。这种专有性质阻碍了小型企业、初创公司和研究人员充分参与先进处理器的开发。RISC-V旨在通过提供开源替代方案来解决这些限制。因此，RISC-V开发背后的动机源于对处理器架构领域更大开放、定制和创新的渴望。

RISC-V起源于加州大学伯克利分校计算机科学系。该项目始于2010年，是由相关专业教授及其团队领导的一项研究工作。

第一个RISC-V规范于2011年发布，RISC-V国际组织于2015年成立，以促进RISC-V ISA的采用和标准化。此后，该基金会已发展到拥有200多名成员，其中包括 Google、NVIDIA和Western Digital等主要科技公司。RISC-V已在各个行业得到快速采用，多家公司开发并发布了基于RISC-V的处理器和片上系统（SoC）。

RISC-V历史上的关键里程碑之一是2017年发布的RISC-V特权架构规范，它定义了硬件和操作系统之间的接口。该规范促进了更复杂的RISC-V处理器的开发，并促进了Linux等操作系统向RISC-V平台的移植。

另一个重要的里节点是2018年发布了首款商用RISC-V处理器SiFive Freedom U540。该处理器展示了RISC-V在商业应用中的可行性，并为业界进一步采用该架构铺平了道路。

ARM

ARM代表高级RISC机器，起源于Acorn Computers，这是一家在20世纪80年代开发了Acorn RISC机器架构的英国公司。ARM架构最初设计用于Acorn的个人计算机，重点关注功效和简单性。1990 年，Acorn Computers、Apple和VLSI Technology成立了一家名为Advanced RISC Machines Ltd. 的合资企业，后来成为ARM Holdings。

第一个ARM处理器ARM1于1985年推出，ARM2随后于1986年推出。这些早期处理器主要用于Acorn的阿基米德系列计算机。然而，当苹果公司于1993年为其牛顿个人数字助理选择ARM610处理器时，ARM架构获得了广泛的认可。这标志着ARM在移动和嵌入式系统市场的主导地位的开始。

多年来，ARM 开发了多个处理器系列，每个系列都针对特定的细分市场和性能要求。一些著名的ARM处理器系列包括用于高性能应用的Cortex-A系列、用于实时系统的Cortex-R系列以及用于微控制器和低功耗设备的Cortex-M系列。

如今，ARM架构已成为移动设备、物联网和嵌入式系统事实上的标准，Apple手机、三星和高通等大公司的产品都依赖ARM处理器。

RISC-V vs ARM：架构

RISC-V

RISC-V的关键架构特征包括加载存储架构、固定长度的32位指令格式和少量通用寄存器。RISC-V支持各种整数指令集扩展，例如RV32I（32位）、RV64I（64位）和RV128I（128位），它们定义了不同地址空间大小的基本整数指令集。RISC-V在内存系统中使用小端字节排序，这意味着多字节数据的最小有效字节存储在最低内存地址中。以下是RISC-V架构的一些独特功能：

1. 模块化和可扩展性：RISC-V的定义特征之一是其模块化和可扩展性。ISA旨在通过自定义指令和协处理器轻松扩展，从而实现满足特定应用要求的定制实施。这种灵活性是通过模块化设计实现的，其中基本ISA可以与可选的标准扩展相结合，例如用于整数乘法和除法的M扩展、用于原子操作的A扩展以及用于单精度和双精度的F和D扩展—精度浮点运算。
2. 压缩指令集：与ARM的Thumb指令集相比，RISC-V还支持称为RV32C（或64位的RV64C）的压缩指令集扩展，它提供可以与标准32位指令混合的16位压缩指令。此功能有助于减少代码大小并提高能源效率，使RISC-V特别适合嵌入式系统和低功耗应用。
3. 权限级别和虚拟内存：RISC-V架构的另一个重要方面是它对权限级别和虚拟内存的支持。RISC-V特权架构规范定义了三个特权级别：机器模式（M模式）、管理员模式（S模式）和用户模式（U模式）。这些权限级别提供了隔离操作系统内核、虚拟机管理程序和用户应用程序的机制，确保系统的安全性和稳定性。

ARM

ARM关键架构特征包括加载-存储架构、固定长度32位和可变长度Thumb指令的混合以及大量通用寄存器。内存系统采用双端字节排序，使ARM处理器或机器能够在硬件级别无缝处理和传输两种端格式的数据。

ARM处理器分为多个系列，每个系列都针对特定的性能和功耗要求。使用最广泛的ARM处理器系列是Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M系列。Cortex-A系列专为高性能应用而设计，例如智能手机、平板电脑和服务器。这些处理器支持乱序执行、超标量管道和硬件虚拟化等高级功能。Cortex-R系列针对实时系统进行了优化，提供快速中断响应时间和确定性行为。这些处理器通常用于汽车、工业和安全关键型应用。Cortex-M系列专为微控制器和低功耗设备量身定制，重点关注能源效率和易用性。

1. Thumb 指令集：ARM处理器通常实现ARM和Thumb指令集，后者提供16位压缩指令以提高代码密度和能源效率。ARM引入了Thumb指令集，作为传统32位ARM指令的可选16位扩展。此功能可以减少代码大小，同时保持合理的性能，使其适合嵌入式系统等内存受限的设备。
2. 内存管理和保护：ARM处理器支持各种级别的内存管理和保护，包括用于简单系统的内存保护单元（MPU）和用于具有虚拟内存支持的更复杂系统的内存管理单元 (MMU)。2011年推出的ARMv8-A架构增加了对64位地址空间的支持，并引入了AArch64执行状态，除了现有的32位ARM和Thumb指令集之外，还提供了新的64位指令集。
3. 可选增强功能：除了基本ISA之外，ARM处理器还可以包括可选扩展，例如用于多媒体和信号处理任务的NEON SIMD（单指令、多数据）扩展，以及用于硬件加速加密和解密的密码学扩展。这些扩展使ARM处理器能够高效处理各种工作负载，同时保持低功耗和较小的芯片占用空间。

总而言之，RISC-V的模块化方法提供了定制的可能性，而ARM的专用内核则提供了目标性能。两种架构都有优点，因此具体取决于上下文。RISC-V吸引了那些优先考虑定制和开放标准的人们，而ARM的精致产品则满足不同领域的广泛应用需求。

RISC-V vs ARM：性能

RISC-V和ARM架构之间的比较是多方面的，涉及一系列影响性能的因素。让我们介绍其中的一些，同时比较特定模型，例如P5​​50与Cortex-A75以及BeagleV与 Raspberry Pi（树莓派）。

1. 核心版本和进展：SiFive的P550与ARM的Cortex-A75相当，展示了RISC-V的功能与现有的ARM核心一致。然而，ARM的不断进步催生了A-76、A-77、A-78、Cortex-X1和Cortex-X2等后续几代产品，可能使P550落后ARM最新型号好几代。ARM的持续发展赋予了他们性能优势。
2. 内核等效性和效率：BeagleV的U74内核与ARM的Cortex-A55架构保持一致，而Raspberry Pi则采用Cortex-A72，在性能和成本效益方面具有潜在优势。ARM现有的内核选择为各种性能级别提供了既定选项。
3. 生态系统和行业采用：ARM在行业中的主导地位源于其广泛的生态系统，并以广泛的软件和硬件支持为后盾。使用ARM处理器的公司可以利用成熟的基础设施来加速开发和部署。
4. 定制和开放性：RISC-V的模块化和可扩展架构提供了ARM专有架构可能缺乏的定制机会。然而，ARM久经考验的记录、稳定性和既定标准为性能优化提供了坚实的基础。
5. 赶超和未来展望：为了符合ARM的性能标准，SiFive等RISC-V支持者需要继续改进其核心设计，缩小代沟。ARM的稳步发展需要RISC-V的持续努力，以在性能和生态系统成熟度方面迎头赶上。

让我们对二者的产品进行比较，以便更好地了解。考虑下面的性能图：

如上图所示，ARM的Cortex-A78在峰值单线程性能方面略胜于SiFive的P670（使用RISC-V）。尽管Cortex-A78在原始性能方面具有至高无上优势，但 P670的计算密度却是它的两倍。因此，考虑到SiFive 的 P670处理器的物理尺寸只有竞争对手的一半，其峰值单线程性能可与Cortex-A78相媲美。

值得注意的是，Cortex-A78是在2020年12月通过Vivo X60和X60 Pro推出，而P670最近是在2022年11月1日发布的，这表明研发方面存在近两年的差距。ARM最新的处理器现在在ARMv9 ISA上运行，这比Cortex-A78的ARMv8有了重大改进。值得注意的是，ARMv9处理器的性能提高了约30%，能效提高了 50%。

就纯粹性能而言，ARM处理器保持领先地位。然而，SiFive的P670的计算密度是Cortex-A78的两倍，使RISC-V处理器在依靠紧凑型处理器蓬勃发展的可穿戴技术中占据有利地位。

在RISC-V与ARM的性能对比中，ARM一致的迭代、完善的生态系统以及广泛的选择使其具有显着的性能优势。然而，RISC-V的模块化性质和定制潜力为特定用例带来了希望。所以，RISC-V支持者为缩小性能差距所做的持续努力，将是决定RISC-V未来能否与ARM既定性能标准相匹配的关键因素。

RISC-V vs ARM：功耗

RISC-V功耗

RISC-V和ARM架构之间的电源效率比较揭示了它们各自在管理能源消耗方面的能力的有趣见解。由于这两种架构都采用精简指令集计算理论，因此有必要深入研究区分其能效性能的具体数据和可测量因素。

电源效率是处理器设计的一个重要方面，特别是对于嵌入式系统、物联网设备和电池供电应用而言。RISC-V的架构强调简单性和模块化，与更复杂的处理器架构相比，这有助于提高能效。RISC-V ISA允许实现具有较小硅占用空间的处理器，从而降低功耗并实现节能设备的设计。

RISC-V架构的多项功能有助于提高其功效。固定长度的32位指令格式简化了解码并降低了控制逻辑复杂度，从而降低了功耗。可选的RV32C（或RV64C）压缩指令集扩展提供16位压缩指令，可通过降低指令读取和解码功率来帮助减少代码大小并提高能源效率。

此外，RISC-V 的模块化设计允许实现根据特定应用要求定制的自定义扩展和硬件加速器。这使得能够开发仅包含必要功能的处理器，通过消除未使用的硬件功能来降低功耗。

节能RISC-V处理器的示例包括专为物联网和可穿戴设备设计的PULPino处理器，以及针对边缘节能AI和机器学习应用的GreenWaves GAP8处理器。GAP8处理器具有由8个RISC-V核心组成的集群和一个用于卷积神经网络的专用硬件加速器，可为AI工作负载实现高达200 GOPS/W（每瓦每秒千兆次运算）的功效。

ARM功耗

自ARM架构诞生以来，功效一直是其关注的重点，使其成为许多移动和嵌入式应用的首选。ARM处理器旨在提供高性能和低功耗，支持跨各种应用开发节能设备。

ARM架构的多项功能有助于提高其功效。使用加载-存储架构以及固定长度32位和可变长度Thumb指令的混合简化了解码并降低了控制逻辑复杂性，从而降低了功耗。此外，ARM处理器通常包含电源管理功能，例如动态电压和频率调节 (DVFS)，它允许处理器根据工作负载需求调整其工作频率和电压，从而进一步提高能源效率。

ARM的处理器系列（例如Cortex-A、Cortex-R和Cortex-M系列）在设计时考虑了不同的功耗和性能目标。例如，Cortex-M系列针对微控制器和低功耗设备进行了优化，重点关注能源效率和易用性。Cortex-M4 处理器的运行频率高达240 MHz，性能达到1.25 DMIPS/MHz，包括硬件浮点单元 (FPU) 和 DSP（数字信号处理）扩展，使其适用于信号处理低功耗的处理和控制应用。

在高性能领域，Cortex-A76等ARM处理器实现了出色的每瓦性能比，使其成为智能手机和笔记本电脑等功率受限的高性能设备的理想选择。Cortex-A76处理器的运行频率高达3 GHz，可提供4.0 DMIPS/MHz 的峰值性能，同时保持低功耗。

总体而言，ARM对能效的关注，结合其广泛的生态系统和广泛的处理器系列，使得跨行业和应用的节能设备的开发成为可能。

考虑到可衡量的因素和行业趋势，得出的结论是，ARM精细的电源管理技术和专用内核使其在电源效率方面具有明显的优势。ARM成熟的生态系统、广泛的行业采用以及良好的业绩记录增强了其优势。虽然RISC-V由于其定制潜力而前景光明，但其开放性需要投入更广泛的时间和资源才能充分利用其节能功能。

RISC-V vs ARM：生态系统

围绕架构选择的生态系统和支持在决定其实际可行性方面发挥着关键作用。在RISC-V和ARM的背景下，评估各自生态系统和支持结构的优缺点对于为其项目寻求最合适解决方案的组织至关重要。

生态系统成熟度

RISC-V

• 作为一种开源架构，RISC-V吸引了由开发者、初创公司和研究人员组成的多元化社区，拥有200多名成员，其中包括Google、NVIDIA和Western Digital等主要科技公司。
• 与ARM相比，RISC-V的生态系统相对年轻但发展迅速。
• 虽然它的规模可能还无法与ARM相匹配，但其开放性促进了协作、定制和创新。

ARM

• ARM已经拥有成熟且广阔的生态系统。其许可模式催生了大量基于ARM的产品，迄今为止ARM芯片的出货量已超过1700亿颗。
• 其生态系统包含广泛的硬件合作伙伴、软件工具和成熟的开发板。
• 提供了丰富的资源、支持以及成功集成到各种应用程序的良好记录。

硬件软件

RISC-V

在硬件支持方面，多家半导体公司已经开发了RISC-V处理器和片上系统（SoC），包括SiFive、Andes Technology和Microchip。这些公司提供各种基于 RISC-V的产品，从低功耗微控制器到高性能应用处理器。此外，RISC-V的开源特性催生了众多开源处理器设计的开发，例如PULPino和RISC-V BOOM无序超标量处理器。随着亚马逊和其它科技巨头探索RISC-V的功能，CPU架构的格局正在发生显着的转变，开源硬件在以前未开发的领域中获得了显着的地位。

在软件方面，RISC-V生态系统支持各种操作系统，包括Linux、FreeBSD以及FreeRTOS和Zephyr等实时操作系统。

• RISC-V的生态系统相对较新，但扩张迅速。
• 它的开放性鼓励实验和专业化。
• 开发人员可以定制架构以满足特定需求，从而产生量身定制的解决方案。
• 虽然该生态系统可能不如 ARM 成熟，但它为利基应用提供了灵活性和潜力。

ARM

高通、三星和苹果等主要半导体公司都开发了自己的基于ARM的处理器，以满足不同的细分市场和性能要求。这些处理器广泛用于各种设备，包括智能手机、平板电脑、物联网设备和嵌入式系统。在软件方面，ARM生态系统支持众多操作系统，例如Linux、Android、iOS和Windows，以及实时操作系统。

• ARM受益于全面且成熟的生态系统。
• 其架构为从智能手机到服务器的大量设备提供支持，确保提供广泛的硬件选项、软件工具和库。
• 开发人员可以选择各种开发板、编译器和调试工具。

行业使用

RISC-V

• RISC-V正在逐渐在定制、开放和创新至关重要的领域获得关注。
• 它的采用可能不像ARM那样广泛，但它在边缘计算、桌面系统和物联网等领域的日益普及表明了一个不断发展的生态系统，可以满足特定的需求。

ARM

• ARM在各行业的广泛采用有助于提供稳定且得到良好支持的解决方案。
• 其架构深度融入各个领域，成为众多开发者的首选。
• 基于ARM的设备的流行确保了广阔的市场和强大的生态系统。

可以看出，虽然ARM广泛的生态系统提供了稳定性、经过验证的工具和广泛的硬件选项，但RISC-V的开源性质促进了协作、定制和创新。 所以，两种架构之间的选择取决于项目的具体要求，ARM迎合成熟行业，RISC-V为寻求灵活性和独特解决方案的人们提供平台。

RISC-V vs ARM：许可和商业模式

半导体架构的世界不仅仅由技术能力来定义，它还受到主要参与者的商业和许可策略的影响。下面小编将介绍RISC-V和ARM的许可和商业模式，一起来了解下吧。

RISC-V

开源许可

• RISC-V在宽松的开放式免版税许可下运行，例如Apache License 2.0。
• 开源性鼓励了透明度、协作和创新。

灵活性

• RISC-V开源性质允许组织根据其特定需求定制处理器架构。
• 通过扩展和配置可以进行定制，从而能够为不同的应用创建优化的处理器。

权控制

• 使用RISC-V的组织可以完全控制其处理器设计，从而减少对单一供应商的依赖。
• 这种所有权控制对于旨在保护其知识产权的公司来说尤其有利。

ARM

许可级别

• ARM提供多个许可级别，包括根据许可级别访问各种指令集和架构的能力。
• 这种分层模型允许公司选择符合其要求的访问级别。

专有元素

• 虽然ARM通过其架构提供开放性，但某些高级功能或技术可能是专有的，需要许可协议。
• 这种开放性和专有元素的结合使ARM能够在定制和保护有价值的创新之间保持平衡。

授权合作

• 采用ARM处理器通常涉及与ARM或其授权商的合作。
• 公司可以与ARM密切合作以获得高级功能、支持和定制

简单概括就是，RISC-V提供开源许可、灵活性、降低成本和所有权控制，而ARM提供许可灵活性、专有和开放元素的组合、许可成本和协作生态系统。这两种选项都具有独特的优势，组织在为其项目选择处理器架构时应考虑这些优势。

RISC-V vs ARM：应用领域

RISC-V

RISC-V处理器凭借其模块化和可扩展的架构，适用于各种用例和应用。RISC-V ISA的灵活性使得能够开发适合特定应用要求的定制处理器设计，使RISC-V成为对各个行业和市场有吸引力的选择。事实上，像Amazon这样的公司已经认识到RISC-V在为其特定需求提供定制解决方案方面的潜力。

RISC-V处理器的主要用例之一是低功耗嵌入式系统和物联网设备。RISC-V的简单性和功效使其成为能源限制严格的应用的理想选择，例如可穿戴设备、智能传感器和家庭自动化系统。基于RISC-V的IoT设备的示例包括GreenWaves GAP8处理器（针对边缘的节能 AI 和机器学习应用）以及PULPino处理器（专为IoT和可穿戴设备设计）。

RISC-V处理器在数据中心和高性能计算市场也越来越受欢迎。RISC-V ISA的模块化允许开发具有自定义扩展和硬件加速器的高性能处理器，从而能够高效处理人工智能、机器学习和大数据分析等复杂工作负载。基于RISC-V的HPC处理器的示例包括SiFive U74和RISC-V BOOM无序超标量处理器。

此外，RISC-V正在探索用于安全关键型实时系统，例如汽车、航空航天和工业控制应用。RISC-V的开源特性可以对处理器设计进行透明、彻底的验证，这对于确保关键系统的安全性和可靠性至关重要。

ARM

凭借其功效、性能和广泛的生态系统，ARM处理器被用于各种用例和应用。各种ARM处理器系列可满足不同的细分市场和性能要求，使ARM成为许多行业和市场的多功能选择。

ARM处理器最突出的用例之一是移动设备，例如智能手机和平板电脑。ARM处理器的功效和性能使其成为具有高工作负载的电池供电设备的理想选择。苹果、三星和华为等主要智能手机制造商的旗舰设备都依赖基于ARM的处理器。

ARM处理器还广泛应用于嵌入式系统和物联网设备，例如智能传感器、家庭自动化系统和工业控制系统。Cortex-M系列专为微控制器和低功耗应用而设计，特别适合这些用例。基于ARM的物联网设备示例包括STMicroElectronics的STM32系列微控制器和Nordic Semiconductor的nRF52系列无线SoC。

除了移动和物联网应用之外，ARM处理器也越来越多地在数据中心和高性能计算市场中得到采用。ARM Neoverse平台包括Neoverse N1和E1处理器，面向云基础设施和边缘计算应用，为数据中心工作负载提供高性能和高能效。

小结

综上所述，RISC-V构架强调开放性和灵活性，允许用户更容易定制和探索处理器设计，而ARM构架则在商业市场上有着广泛的应用和支持。选择使用哪种架构通常取决于具体的需求和考虑。

此外，RISC-V的开放设计精神支持定制并采用社区驱动的方法。ARM的功效、性能和广泛的生态系统使其成为移动设备、嵌入式系统和物联网设备的主要选择。