處理器的分層模型

——從MIPS、龍芯、ST的關係談起

       2009年6月15日，MIPS公司網站釋出新聞，中國科學院計算所取得MIPS32®和MIPS64® Architecture的授權，用於龍芯的開發和商用。新聞見下面的連結：

       2007年3月28日，STMicroelectronics公司網站釋出新聞，STMicroelectronics製造和銷售中國科學院計算所研製的龍芯IP。新聞見下面的連結：

       龍芯取樣MIPS的Architecture授權，晶片又由ST製造，關於龍芯的智慧財產權問題一直是人們關注的焦點，要弄清這個問題，需要首先理解處理器的分層模型。

        在計算機體系結構中，處理器被分為3個層次：

        指令集體系結構(Instruction Set Architecture，ISA)常被簡稱為Architecture(架構)，是處理器的一個抽象描述，處理器對外提供哪些指令，提供哪些定址方式，擁有哪些程式設計師可見的暫存器等等，這些都屬於ISA的範疇，它描述的是處理器對軟體人員提供的介面。ISA在處理器中的實現，被稱為Microarchitecture(微架構)，同樣是x86的Architecture，Intel和AMD各自使用不同的Microarchitecture。

        通俗的說，Architecture是處理器的外表，Microarchitecture是處理器的內心。Architecture是設計規範，定義處理器能做什麼，Microarchitecture是設計實現，描述處理器是怎麼實現功能的。

       處理器的物理實現是具體的實現過程，可以用20nm的積體電路工藝實現處理器，也可以用40nm的工藝實現，可以用電子實現(電子計算機)，也可以用量子實現(量子計算機)。Microarchitecture描述的是處理器的邏輯結構，不關注處理器的物理實現工藝。

       如果用軟體開發的流程來和處理器進行對比，那麼Architecture就好比需求，Microarchitecture好比設計，物理實現好比真正的程式碼。

        Microarchitecture通常也可以認為等同於核心(core)，一個處理器除了核心外，也還有很多其他的東西，例如：I/O(Input/Output)、電源、時鐘等等，同樣一種微架構可以出多種型號的處理器。

        下面這張圖以商用處理器的例子描述了指令集、微架構、處理器之間的關係：

        Intel著名的奔2、奔3電腦，使用了Intel歷史上非常成功的P6微架構，奔4以及一部分志強處理器使用了NetBurst微架構，它們都使用x86指令集。ARM公司設計的ARM Cortex-A8核心使用ARMv7指令集，被用在了TI、三星等很多公司的處理器上。

       很多人會混淆ARM7和ARMv7，ARM7是一種微架構，使用的是ARMv4指令集，ARMv7是一種指令集，Cortex系列的都使用ARMv7指令集。

        從上面的分析我們得知：MIPS處於指令集這一層，龍芯處於微架構這一層，ST處於物理實現這一層。雖然MIPS也賣核心，不過相信龍芯的微架構還是會有自己的特色。