在软件开发过程中，你经常会看到X86、X64、ARM、ARM64等专业术语，你知道这些代表什么吗？这些其实是代表了不同CPU芯片的CPU架构。
1. 什么是CPU架构？
CPU架构是一个多层次的概念，核心是指计算机中央处理器（CPU）的设计蓝图和组织结构。它定义了CPU如何工作、如何执行指令、如何与内存和其他硬件交互。具体来说，它可以涵盖以下几个方面：
指令集架构 (ISA - Instruction Set Architecture):
- 这是CPU架构中软件可见的部分，定义了CPU能够理解和执行的基本指令集合（如加、减、跳转、加载、存储等）。
- 它规定了指令的格式、操作码、寻址方式（如何指定操作数位置）、数据类型、寄存器组（CPU内部的高速存储单元）、内存访问模型、以及中断/异常处理机制等。
- ISA是软件（编译器、操作系统、应用程序）与硬件之间的契约。 编译器将高级语言代码编译成针对特定ISA的机器码（二进制指令）。操作系统和应用程序直接使用这些指令与CPU交互。
微架构 (Microarchitecture):
- 这是ISA的具体硬件实现。它描述了CPU内部的详细设计，如何在物理层面执行ISA定义的指令。
- 微架构决定了CPU的内部结构：流水线级数、分支预测策略、缓存大小和层次结构（L1, L2, L3）、超标量/超线程能力、执行单元的数量和类型（整数、浮点、向量）、总线宽度、功耗管理技术等。
- 同一个ISA可以有多种不同的微架构实现。 例如，Intel的Core i7和AMD的Ryzen 7都实现x86-64 ISA，但它们的内部微架构（如Intel的Sunny Cove/Raptor Cove, AMD的Zen系列）设计不同，导致性能、功耗、特性各异。
2. CPU架构的主要类型(按指令集分类)
CPU架构类型主要根据其指令集架构（ISA） 的特点来划分，最常见的是：
2.1. x86 家族
2.1.1. 指令集介绍
- 起源： 由Intel开发（始于8086处理器），后由AMD扩展到64位（x86-64）。
- 特点： 复杂指令集（CISC - Complex Instruction Set Computing）传统，指令长度可变，寻址方式丰富。指令功能强大但可能较复杂。
- 主导领域： 桌面电脑、笔记本电脑、服务器、工作站的主流架构。Windows, macOS (Intel Mac), Linux都广泛支持。
- 主要厂商： Intel, AMD。
2.1.2. 常见类型
| 术语 | 位宽 | 描述 | 别名/等效术语 |
|---|---|---|---|
| i386 | 32位 | Intel 80386起源的32位x86架构（IA-32） | x86, IA-32 |
| x86 | 32位 | i386的现代简称 | - |
| x86_64 | 64位 | Linux/Unix命名的64位x86扩展（AMD设计） | AMD64 (Windows) |
| AMD64 | 64位 | Windows命名的64位x86架构 | x86_64 (Linux) |
📌 说明：
x86_64=AMD64=Intel 64。三者完全等价，仅命名习惯不同；x86_64常见于Linux/Unix，AMD64常见于Windows。AMD64不是AMD专属。AMD64是最初由AMD设计的64位x86指令集扩展，后来Intel被迫兼容。AMD64_x86严格意义上说不属于指令集架构。它是在64位Windows操作系统(x86_64架构)中运行32位x86程序的兼容模式。
2.2. ARM 家族
2.2.1. 指令集介绍
- 起源： 由ARM Holdings公司设计其ISA，授权给其他公司（如Apple, Qualcomm, Samsung, Nvidia, Amazon, Google）制造芯片。
- 特点： 精简指令集（RISC - Reduced Instruction Set Computing）哲学。指令长度固定（通常是32位或64位），指令集更精简，设计更注重能效比（性能/功耗）。
- 主导领域： 移动设备（智能手机、平板电脑）的绝对霸主。 在嵌入式系统、物联网设备中也占据主导地位。近年来在笔记本电脑（Apple Silicon Mac）、服务器、高性能计算领域发展迅猛。ChromeOS, Android, iOS/iPadOS, macOS (Apple Silicon) 都支持ARM。
- 主要厂商： Apple (Apple Silicon M系列), Qualcomm (Snapdragon), Samsung (Exynos), MediaTek, Nvidia (Grace), Amazon (Graviton), Google (Tensor), 以及众多嵌入式芯片厂商。
2.2.2. 常见类型
| 术语 | 位宽 | 描述 | 应用场景 |
|---|---|---|---|
| ARM | 32位 | ARM 32位架构统称（历史遗留名称），现官方称 AArch32 | 旧手机/嵌入式设备 |
| AArch32 | 32位 | ARMv7/ARMv8的32位模式，兼容传统ARM指令 | 旧Android/iOS设备、IoT |
| ARM64 | 64位 | 非官方俗称，指ARM 64位架构（官方名：AArch64） | 开发者社区通用术语 |
| AArch64 | 64位 | ARMv8+ 的官方64位ISA，完全重新设计（非AArch32扩展） | 现代手机/Apple Silicon/服务器 |
| ARM64EC | 混合 | Windows专属：在ARM64系统中运行x64二进制代码的兼容层 | Windows on ARM运行x64程序 |
📌 说明：
AArch32（纯32位）≠AArch64（纯64位）。ARM64EC严格意义上说不属于指令集架构，它是微软开发的动态二进制转换层（类似Rosetta 2）。
2.3. RISC-V
- 起源： 基于RISC原则的开源、免费指令集架构（ISA），由加州大学伯克利分校发起。
- 特点： 开源免费是其最大特点！ 模块化设计（基础指令集+可选扩展），设计简洁，免授权费，允许高度定制化。
- 应用领域： 在嵌入式系统、物联网、教育研究领域快速普及。开始进入移动设备（协处理器）、服务器、高性能计算、AI加速器等领域。生态正在快速发展中。
- 主要厂商： 众多初创公司和大型科技公司（如SiFive, Google, NVIDIA, Qualcomm, Western Digital, Alibaba等）都在研发或使用RISC-V芯片。
2.4. 其他架构
2.4.1. 指令集介绍
- Power/PowerPC (PPC):
- 由IBM开发（部分源自早期的Power架构），曾用于Apple Macintosh（2006年前）、游戏机（PlayStation 3, Xbox 360, Wii/Wii U）、IBM服务器/超级计算机。现在主要存在于IBM的高端服务器和嵌入式领域。
- MIPS:
- 经典RISC架构，曾广泛用于工作站、网络设备（路由器）、嵌入式系统、游戏机（PlayStation 1, PlayStation 2, PSP, N64）。其重要性已被RISC-V等架构挑战。
- SPARC:
- 由Sun Microsystems开发（后被Oracle收购），主要应用于Sun/Oracle的高端服务器和工作站。现在应用范围大幅缩小。
- z/Architecture:
- IBM为其大型主机（mainframe）系统开发的专用架构，强调极高的可靠性和向后兼容性。
2.4.2. 常见类型
| 术语 | 描述 | 代表厂商/平台 |
|---|---|---|
| LoongArch64 | 中国龙芯自研的64位MIPS替代架构（自主指令集） | 龙芯（Loongson） |
| Power | IBM高性能RISC架构（用于服务器/超级计算机） | IBM Power Systems |
| Wasm_simd | WebAssembly的SIMD向量指令扩展（跨平台虚拟ISA） | 浏览器/Web运行时 |
3. CPU架构与指令集的关系
CPU架构包含指令集架构(ISA)和微架构(Microarchitecture)。指令集架构是上层软件可见的部分，是软件与硬件之间的抽象层和接口标准。软件开发领域提到的CPU架构通常默认指的是CPU的指令集架构。微架构是指令集架构的具体硬件实现。不同的CPU设计团队(如Intel, AMD, Apple)可以基于同一个ISA（例如x86-64）来设计内部结构完全不同的CPU。
