RISC vs CISC

一、RISC 架构及其主流操作系统

RISC 架构的核心特点是指令集精简，主要用于嵌入式设备、移动设备和高性能计算领域。以下是 RISC 架构的主要类别及其对应的操作系统。

1. ARM（Advanced RISC Machine）

  • 应用场景：手机、平板、嵌入式设备、树莓派、高性能计算（如 AWS Graviton 服务器）。
  • 主流操作系统：
    • 移动设备：
      • Android：大多数 Android 设备运行在 ARM 架构上。
      • iOS：苹果的 iPhone 和 iPad 使用基于 ARM 的 iOS。
    • 桌面/服务器：
      • Windows on ARM：微软推出的 ARM 专用版本（如 Surface Pro X）。
      • macOS（Apple Silicon）：适配苹果自研 ARM 芯片（M1/M2 系列）。
      • Linux：
        • Ubuntu、Debian、CentOS 等，广泛适配 ARM 设备。
        • 树莓派官方系统（Raspberry Pi OS，基于 Debian）。
      • FreeBSD：支持 ARM 和 ARM64。
    • 嵌入式设备：
      • RTOS（实时操作系统）：如 FreeRTOS、Zephyr RTOS。

2. RISC-V

  • 应用场景：嵌入式、科研、高性能计算，未来可能挑战 ARM。
  • 主流操作系统：
    • Linux：
      • Ubuntu、Debian、Fedora 等社区已推出 RISC-V 支持版本。
      • OpenSUSE Leap 和 Rocky Linux 也支持 RISC-V。
    • FreeBSD：支持 RISC-V。
    • 专用系统：
      • RTOS：如 Zephyr RTOS 和 FreeRTOS。
      • Berkeley Boot Loader (bbl)：用于研究和开发。
      • OpenEmbedded/Yocto：为嵌入式设备开发的系统。

3. MIPS

  • 应用场景：嵌入式设备、网络设备（如路由器），曾用于工作站和游戏机。
  • 主流操作系统：
    • Linux：
      • Debian、OpenWRT（路由器系统）。
      • Gentoo 和 Alpine Linux 等轻量级发行版。
    • FreeBSD：支持 MIPS 架构。
    • 专用系统：
      • 嵌入式系统：如 VxWorks 和 RTEMS。
      • 游戏机系统：Sony PlayStation 1 和 2 的操作系统（基于 MIPS）。

4. SPARC（Scalable Processor Architecture）

  • 应用场景：高性能计算、服务器（由 Sun Microsystems 开发）。
  • 主流操作系统：
    • Solaris：由 Sun Microsystems 开发的专属系统。
    • Linux：
      • Debian 和 Ubuntu 支持 SPARC 架构。
    • FreeBSD：支持 SPARC。

5. PowerPC（Performance Optimization With Enhanced RISC – Performance Computing）

  • 应用场景：嵌入式设备、老款苹果电脑、服务器、高性能计算。
  • 主流操作系统：
    • Linux：
      • Debian、Ubuntu 和 Fedora 提供 PowerPC 支持。
    • AIX：IBM 为其 Power 系列服务器开发的操作系统。
    • Mac OS（历史支持）：用于苹果使用 PowerPC 芯片的 Mac（20 世纪 90 年代至 2006 年）。

二、CISC 架构及其主流操作系统

CISC 架构的特点是指令集复杂，通常用于桌面计算机和服务器。

1. x86（32位）/x86-64（64位）

  • 应用场景：桌面电脑、笔记本电脑、服务器。
  • 主流操作系统：
    • 桌面/服务器：
      • Windows：所有现代 Windows 系统（Windows 10、11 等）以 x86/x86-64 为核心。
      • Linux：
        • 支持所有主流发行版：Ubuntu、Debian、Fedora、CentOS、Arch Linux 等。
      • macOS（历史支持）：苹果在 2006-2020 年之间使用 x86 架构芯片。
      • FreeBSD：对 x86 架构的支持非常全面。
    • 虚拟化和容器化：
      • ESXi（VMware）、Proxmox、XenServer 等虚拟化工具非常依赖 x86 架构。

2. Itanium（Intel IA-64）

  • 应用场景：高端服务器（被 x86-64 替代）。
  • 主流操作系统：
    • Linux：Red Hat Enterprise Linux（RHEL）、SUSE Linux Enterprise Server（SLES）。
    • Windows Server：微软曾为 Itanium 提供支持，但已停止开发。
    • HP-UX：惠普为其 Itanium 服务器开发的专属操作系统。

3. IBM Z 系列（大型机架构）

  • 应用场景：银行、金融、高可靠性事务处理。
  • 主流操作系统：
    • z/OS：IBM 专属大型机操作系统。
    • Linux：
      • SUSE Linux Enterprise Server 和 Red Hat Enterprise Linux 提供对 IBM Z 的支持。
    • UNIX：如 AIX。

三、汇总：RISC 和 CISC 架构上的主流操作系统对比

架构 类型 主流操作系统
ARM RISC Android、iOS、Windows on ARM、macOS（Apple Silicon）、Linux（Ubuntu、Debian、树莓派 OS）
RISC-V RISC Linux（Ubuntu、Debian、Fedora）、FreeBSD、RTOS（FreeRTOS、Zephyr）
MIPS RISC Linux（OpenWRT、Debian）、FreeBSD、RTOS（VxWorks）
SPARC RISC Solaris、Linux（Debian、Ubuntu）、FreeBSD
PowerPC RISC Linux（Debian、Ubuntu）、AIX、（历史上）Mac OS
x86/x86-64 CISC Windows、Linux（Ubuntu、CentOS、Fedora 等）、macOS（2006-2020）、FreeBSD
Itanium CISC Linux（RHEL、SLES）、Windows Server（历史支持）、HP-UX
IBM Z CISC z/OS、Linux（SLES、RHEL）、AIX
  1. RISC 架构：
    • 适用于低功耗、高效率场景，主流架构包括 ARM 和 RISC-V。
    • 主要操作系统为 Linux 和嵌入式专用 RTOS，桌面和移动设备上也有 macOS 和 Windows 支持。
  2. CISC 架构：
    • 适用于复杂计算和通用计算场景，主流架构为 x86 和 x86-64。
    • 主流操作系统为 Windows 和 Linux，服务器领域广泛使用。

未来，RISC-V 和 ARM 的发展可能会进一步蚕食传统 CISC 的市场份额。

这些架构确定后可更改嘛

不同的架构（如 RISC、CISC、ARM、x86 等）在芯片制造时就已经决定了，后续通常无法更改。这是因为架构直接定义了芯片的指令集（ISA, Instruction Set Architecture），而指令集是处理器执行所有指令的基础。

一、架构是芯片制造时决定的

  1. 指令集架构（ISA）决定处理器的设计：
    • 指令集架构（ISA） 是一种“契约”，定义了处理器能够识别和执行的指令（例如加法、存储、跳转等基本操作）。
    • 芯片设计时，制造商会根据指定的架构（如 ARM、x86 或 RISC-V）设计硬件电路，包括：
      • 指令解码单元：负责解释机器代码。
      • 寄存器：用于存储数据。
      • 流水线与执行单元：执行指令。
    • 因此，从设计电路到制造晶圆的过程中，芯片就已经确定了支持的架构。
  2. 硬件实现与架构绑定：
    • 架构是逻辑设计，而硬件实现（微架构）是用实际的晶体管和电路来实现架构规范。
    • 一旦芯片被制造完成，其硬件逻辑电路和指令解码电路就是固定的，只能执行特定架构的指令。
  3. 芯片设计的定制性：
    • 不同架构的芯片设计有很大的差异。例如：
      • ARM：以低功耗为核心，广泛应用于移动设备。
      • x86：以复杂指令和高性能为主，普遍用于桌面计算机和服务器。
      • RISC-V：开源架构，允许定制扩展指令集。
    • 在设计阶段，芯片制造商会根据目标应用场景选择架构，并设计适配的硬件电路。一旦流片（芯片制造的关键阶段）完成，架构就无法更改。

二、后续为什么不能更改架构？

  1. 硬件逻辑固定：
    • 芯片的指令解码器、电路设计、寄存器文件和执行单元完全基于架构设计。如果尝试运行不兼容的指令集，芯片根本无法解码或执行这些指令，因为硬件没有对应的逻辑。
  2. 架构与软件生态的绑定：
    • 软件是针对特定架构开发的。例如，x86 的程序使用 CISC 指令，而 ARM 的程序使用 RISC 指令。如果架构改变，原有的软件将无法运行。
    • 虽然可以通过软件模拟器（如 QEMU）在不同架构上运行不兼容的软件，但这会显著降低性能。
  3. 架构的专用性：
    • 不同架构的芯片在设计时针对特定场景进行了优化。例如 ARM 专注低功耗设计，而 x86 专注通用计算性能。这种硬件优化是物理层面的，无法通过软件或固件更改。

三、是否有任何方式改变架构？

虽然一般情况下芯片的架构无法更改，但以下两种方式可以实现一定程度的灵活性：

1. 使用指令集仿真/翻译

  • 通过软件或硬件模拟一种架构上的指令集，在另一种架构上运行。例如：
    • Rosetta 2：苹果在过渡到 ARM 架构（M1 芯片）时，使用 Rosetta 2 模拟器让 x86 应用程序可以在 ARM 芯片上运行。
    • QEMU：开源模拟器，可以在 ARM 芯片上运行 x86 程序，或在 RISC-V 上运行其他架构的软件。
    • Transmeta：曾经设计了一种特殊的芯片，能够通过动态二进制翻译运行不同架构的软件。
  • 缺点：
    • 模拟和翻译会增加性能开销，通常比原生运行慢得多。
    • 仿真无法改变芯片本身的硬件架构，只是通过软件适配。

2. 可重配置硬件（如 FPGA）

  • FPGA（Field-Programmable Gate Array） 是一种可编程芯片，可以通过配置文件动态改变其硬件逻辑。
  • 使用 FPGA 可以模拟不同架构的处理器，例如通过加载不同的配置文件让 FPGA 工作在 x86、ARM 或 RISC-V 模式。
  • 缺点：
    • FPGA 的性能和能效远低于专用芯片（ASIC）。
    • FPGA 主要用于科研和原型设计，实际应用中不常见。