大家好，我是ZhengN。
近段尝试着写一些科普文。
本次来分享一些芯片相关的小科普文。作为嵌入式开发工程师，我们对芯片都需要有一定的了解。
指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。
指令集也作为一种标准规范，用于规范芯片设计工程师及编译器开发工程师：
因为芯片与IDE都遵循相同的指令集标准，所以高级语言编写的程序经指定编译器编译后能直接运行在对应的CPU上，反之则不能运行。
如arm-linux-gnueabihf-gcc编译得到的程序并不能运行在X86 CPU上运行：
从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集和精简指令集两部分：
复杂指令集侧重于硬件执行指令的功能性，其对应的硬件结构很复杂。
复杂指令集的特点是指令长度不固定，执行需要多个周期；其有很多用于特定目的的专用寄存器；处理器能够直接处理寄存器中的数据。
复杂指令集主要应用于电脑的处理器，我们的个人电脑处理器用的是X86：
精简指令集侧重于结构简单、处理速度更加快速上。
精简指令集的特点是：一个周期执行一条指令，指令长度固定，通过简单指令的组合实现复杂的操作；其寄存器多是通用寄存器。精简指令集主要用于嵌入式处理器上。
我们比较熟知的就是ARM指令集、MIPS指令集及RISC-V指令集。
其中ARM指令集是目前用得最多的。ARM家族占比所有32位嵌入式处理器的75%，成为占全世界最多数的32位架构。
ARM处理器广泛使用在嵌入式系统设计，低耗电节能，非常适用移动通讯领域。
消费性电子产品，例如可携式装置（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏，和计算机），电脑外设（硬盘、桌上型路由器），甚至导弹的弹载计算机等军用设施。
随着处理器的不断发展，应用需求不断提高，ARM指令集也发展了很多个版本：
ARM V1：最初版本，采用的地址空间是26位的，寻址空间是64MB，这个版本没有商业化。
ARM V2：增加了乘法指令及支持协处理器指令。
ARM V3：实现了32位的地址空间。
ARM V4：增加了半字指令的读取和写入操作，增加了处理器系统模式，增加Thumb指令集。
ARM V5：增加了DSP指令、JAVA指令。
ARM V6：增加60多条SIMD指令。
ARM V7：采用了NEON技术，将DSP和媒体处理能力提高了近4倍。并支持改良的浮点运算。
ARM V8：增加64位指令集、寄存器数量增加到31个。
在设计理念上MIPS指令集强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。
其指令系统经过通用处理器指令体系MIPS I、MIPS II、MIPS III、MIPS IV到MIPS V，嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。
在嵌入式方面，MIPS K系列微处理器是仅次于ARM的用得最多的处理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器），其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。
RISC-V(读作“RISC-FIVE”)是基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)。
RISC-V指令集的设计考虑了小型、快速、低功耗的现实情况来实做，但并没有对特定的微架构做过度的设计。
主流的架构为x86与ARM架构为了能够保持架构的向后兼容性，其不得不保留许多过时的定义，导致其指令数目多。而RISC-V架构则能完全抛弃包袱，从轻上路。
RISC-V基础指令集则只有40多条，加上其他的模块化扩展指令总共几十条指令。
RISC-V特点：
阿里巴巴全资的半导体平头哥半导体有限公司也有设计出基于RISC-V的芯片，如：
指令集是一个很深层次的概念，在这之上我们还需要了解一个与此相关的概念：微架构（Microarchitecture），上面RISC-V的介绍中也有提到这个概念。
微架构的概念其实我们并不陌生，我们来看一个框图：
这是STM32F103系列芯片的一个框图。
微架构其就是我们常说的xxx内核（注：内核有两种概念，一种是硬件层面的概念，另一种是软件层面的概念。这里指的是硬件层面的概念），比如STM32F103的内核是ARM Cortex-M3内核就是一种微架构。
一套指令集只能设计出一种微架构？
显然不是的。针对于不同的应用场景如高性能、低功耗等不同的场景，可以基于同一套指令集设计出不同的微架构。
比如我们嵌入式中接触得比较多的应该是基于ARMV7指令集的Cortex系列内核：
ARM公司授权方式？
ARM公司自己并不生产芯片，也不卖芯片，而是靠IP授权盈利。其主要有以下三种授权方式：
架构层级的授权是芯片厂商在付费获得指令集授权之后，可以基于该指令集设计自己的内核。
架构层级方面，只有几个手机方面的芯片厂商可以玩得起。目前只有几个头部芯片能获得ARM架构层级的授权：
其中，高通、三星曾采用ARM公版+自研架构的组合，但现在基本放弃自研架构，采用公版ARM微架构。苹果是目前是唯一一家能跟ARM这种商业模式做到五五开。
之前有一个疑问，苹果实力这么强了，为何不自研指令集完全摆脱对于ARM的依赖？
网上查了一下，查到一些回答：
1、完全自研，你没办法保证上下游的开发者也有设备可用，没可用设备的话，谁来给开发软件？
2、完全自研，所有核心技术都得很多更专业的人来做，人力成本可能会比授权费还高。
3、ARM和苹果的渊源很深，当年苹果是ARM的创始股东之一，后来苹果陆续卖掉了ARM的股票，再后来苹果基于ARM的架构开始大搞自研芯片。其实苹果现在就是在自研，可以理解为ARM的花式魔改。
华为目前在手机CPU方面现在并无自研微架构。华为麒麟芯片用的还是公版的ARM微架构，但现在已经被卡脖子了（停止内核层级授权），这样的形式不太乐观。
虽然华为拥有ARMV8指令集永久授权，但之前并没有基于ARMV8自研出自己的微架构，可能已经在研发中了。
虽然在手机CPU方面还没有自研微架构，但已有自研云端AI芯片“昇腾（Ascend ）”系列，基于自研的达芬奇架构。不知道自研NPU微架构与自研CPU架构的难度差距有多大，但还是希望华为能早点自研出手机CPU微架构。
就算能成功自研出了自己的CPU微架构，华为的路也还是不好走啊。
假设之后研发成功了，也还需要长期的验证才敢投入使用，毕竟华为手机市场那么大，搭载自研微架构处理器地手机一旦翻车，损失巨大。另外，这只是拥有ARMV8指令集的永久授权，之后如果指令集更新迭代了，技术岂不是又要落后别人好几代了~
内核层级的授权是ARM公司设计出不同的微架构，其他芯片公司可以购买这些微架构，再添加一些自己的一些外设模块，就可以设计出一个芯片。比如：
ST公司购买了了ARM公司的Cortex-M3内核，然后加上图上的一些外设模块如TIM、IIC、SPI等这些模块之后就可以设计出STM32F103系列芯片。
ARM的内核层级授权客户很多，如：ST、TI、三星、海思、瑞芯微、全志等。
使用层级的授权就是可以使用封装好的ARM芯片，而不能进行任何修改。
作为最低的授权等级，拥有使用授权的用户只能购买已经封装好的ARM处理器核心，而如果想要实现更多功能和特性，则只能通过增加封装之外的DSP核心的形式来实现(当然，也可以通过对芯片的再封装方法来实现)。
以上就是本次的分享。如有错误，欢迎指出！
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参考资料：
1、《嵌入式C语言自我修养》
2、《ARM嵌入式体系结构与接口技术》
3、一文读懂ARM架构
4、三星放弃自研CPU架构采用公版arm架构是明智的选择
5、其它
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