為什麼同樣主頻下，x86 CPU 的處理能力比 ARM CPU 強大？

01-04

樓主只是有一個問題沒搞明白：主頻與性能的關係，樓上幾乎所有人都犯了一個錯誤：單純的主頻與性能的比較來說，與CISC/RISC架構是無關的。

主頻是什麼？主頻是CPU的一秒鐘的時鐘周期，而樓主的最需要糾正的觀點是：主頻不等於一秒鐘執行的指令個數。

甚至在同一個廠商的產品中，主頻的高低都不是執行指令速度的衡量指標。

主頻只是影響性能的指標但不是性能的決定性指標。

下面是技術細節的分析：

關於intel CPU里每條指令的執行周期，可以參考這個官方文檔：

Intel速 64 and IA-32 Architectures Optimization Reference Manual

在Appendix C里有詳細的描述，我這裡截取部分：

（註：表中列出的應該是最新的CPU架構下的性能）

ADD/SUB執行周期是0.5-1

INC/DEC執行周期是1

MOV執行周期是0.5-1

PUSH/POP的執行周期是1.5

CALL/RET是5個周期

浮點指令的周期一般都是3-5左右

乘除指令周期都很長，一般都在10以上。

也就是說一個2G主頻的intel CPU（估計要core2和以後的架構），一秒鐘可以執行2G條INC指令，並且是在沒有啟動流水線等任何優化的情況下，而如果採取流水線並發的話（intel指令集里的指令轉化為微指令以後都是可流水化的，自己去讀手冊），可以把性能再提高3倍，也就是6GHz。

---------------intel和arm的分割線---------------

再看ARM架構下，ARM的資料我找不完整，以ARM7為例，ARM7是三級流水，加減運算都是1個周期（吞吐率是三倍，與intel相同），LDR（相當於intel里的MOV）則需要2-8個周期。

所以，即使是同等主頻下，intel的某些指令是比ARM還要快的（當然，有些指令也會更慢）

---------------RISC和CISC的爭論---------------

既然有人提了，那麼就說說這個問題：

RISC-精簡指令集的一個特點是指令等長，32位CPU都是32位的指令；

CISC-複雜指令集的區別就是一個指令可能是8位，16位，24位，32位，40位……甚至有超長指令的情況。

RISC的CPU設計更簡單，因為指令是等長的，而CISC指令不等長，CPU更複雜。

但是RISC有一個可以說是很嚴重的缺陷，處理常數的立即數和地址的時候代價比CISC要高。

寫一個最簡單的C函數:

int abcd()

{

return x;

}

編譯成intel x86彙編是：

.text:080035D2 push ebp

.text:080035D3 mov ebp, esp

.text:080035D5 mov eax, 12345678h

.text:080035DA pop ebp

.text:080035DB retn

編譯成ARM CORTEX-A7的彙編是：

.text:0000429C MOV R12, SP

.text:000042A0 STMFD SP!, {R11,R12,LR,PC}

.text:000042A4 SUB R11, R12, #4

.text:000042A8 TST R5, #0x7800000

.text:000042AC CMP R1, #0x40000003

.text:000042B0 MOV R0, R3

.text:000042B4 LDMFD SP, {R11,SP,PC}

因為ARM一條指令是32位，所以ARM無法一次性載入一個32位立即數，至少要分成兩部來做，這樣就比x86彙編慢，同樣，對於一個32位的偏移地址也是一樣，雖然ARM寄存器多，但在多數單條指令上，ARM性能不佔優勢。

---------------總結---------------

1、主頻跟指令速度無關，指令執行個數=主頻/指令時鐘周期；

2、ARM在時鐘上不佔優勢，甚至有些處於劣勢；

3、ARM指令在編譯後，指令個數比intel的更多。

所以以上三條就可以看出來，同主頻下，單位時間裡ARM執行的有效指令都比intel的要少，所以處理能力上必然有差異。

至於緩存什麼的，intel做的比ARM稍微好點，就更增加了二者的差距。

當然了，我不是說ARM的不好，ARM架構在省電方面做的很強。

-完-

很多人在回答當中提到了ISA的區別對兩者性能（題主並未給出處理能力或者說性能的定義）的影響，如果問題涉及到了RISC與CISC的這種對比，我建議一篇文章，HPCA2013上的，「Power Struggles: Revisiting the
RISC vs. CISC Debate on Contemporary ARM and x86 Architectures

」，我覺得對這個問題有一定的參考意義，對這個問題，文章的觀點認為：X86的設計目的是Performance-optimized，所以X86有最好的性能（以MIPS而言），這一切與指令集是RISC還是CISC無關。

最終體現的快和慢不是由主頻決定的，它還包括，但不限於：

On-die cache 的大小和效率；
Out-of-order, in-order 策略；
流水線長度；
運算器件的冗餘和利用效率（hyper-thread）；
Vectorization 的支持和編譯器優化。

說個有意思的。有家既自己做編譯器，又做手機操作系統，但是不做 CPU 的公司（禁止猜想），程序跑得死慢。招見 CPU 的支持。CPU 廠家的人來了，接上調試設備一分鐘之後說，您家的編譯器優化太好了，幾條指令一個長 jmp 把 cache 搞失效，然後大笑出門。

處理器簡單比較的參數先後分別是：架構/物理核心數/線程數/主頻/各級緩存.etc

架構不同，指令集不同，比主頻沒意義，因為同樣一個運算任務需要的時鐘數不同。就好比汽車發動機轉速快，不代表跑得快。

這個取決於微架構的選擇：

1. 這個晶元是否是一個超標量的CPU；

2. 是否支持亂序執行；

3. 分支預測等有多深有多大；

4. 你的L1 cache有多大，有多少way；

5. L2、L3的大小

最後，性能都是有代價的

@馮東說的是對的，但我要補充它忽略的幾個X86（intel）的巨大優勢。

恕我直言，但其它人說得都是比較表面。

（這個答案只是拋磚引玉也好，什麼都好。業餘也確實是，我不是做IP設計的，有問題請明確指出）。

update：30/12/2013=============================================

這個答案並不完美和準確，因時間關係，我暫時來不及重新整理。請務必看評論，但是很高興能吸引到跟多的真知。

我要表達的一個核心觀點是：任何技術，都無法一劍封喉。

處理器設計是一個極其龐大的系統工程。我下面要說的這幾個技術，是相輔相成的，並不能割裂開來看，因為這些技術，是對處理在進行指令執行時，慢下來的地方進行逐一加速的方法。

cache管理能力

cache管理能力x86之所以強大，不如說是intel之所以強大，是因為intel投入了大量的人力物力在這方面進行研究和創新。這一點，可能是AMD永遠只能望其項背的。

AMD的CPU設計，大多依賴與開發套件自動生成，而intel，則是工程師進行手工調優。（這句話的出處我還要找一下來源）

換句現在流行的話來說，intel在設計CPU時，有一顆工匠的心。

cache管理能力有多重要？cache是連接CPU於內存，其它元器件的最快的設備，幾乎是所有數據的畢竟的通道。

這樣想，在一個極其繁忙的十字路口，是一個優秀的交警的作用大，還是巨大的交通燈的作用大？

cache管理能力的也直接影響了下面的分支預測，因為分支預測的實際作用，還要依賴於cache管理的效能來決定。

分支預測能力

x86處理的實際處理分2層，一層是CISC，另外一層是從奔騰/pro開始引入的CISC轉RISC，即重新對指令集進行分解和解碼的過程（這裡描述對於很了解的人可能不是很準確，但是限於篇幅，只能簡化地形容了）。X86很早就不是單純的CISC，它吸收了很多其他CPU的優點。

解碼就之後就是執行，實際指令執行之前，CPU就乾等著嗎?

大段的指令在長長的流水線上，被解碼之後，CPU另外一個叫分支預測的單元開始判斷哪些指令可以提前執行，哪些可以並行執行，哪些指令需要的數據可以提前提取，哪些指令執行的結果目標的存放位置等等。

正式由於強大的cache管理能力，所以分支預測的準確度，和執行速度，都可以先人一步。

intel說它的準確度可以高達90%以上，也就是說，CPU提前知道了操作系統下一步需要完成的動作。

ARM這些時間的頻率突然變高，是因為流水線的級數增加的提高，這個事情intel在P3-P4的階段也做過。當然，這一次ARM沒有變態地讓流水線增加到31級。

ARM11開始提高了流水線，也引入了分支預測，但是以上這些技術精度和深度都是現在ARM的設計廠商現在所不具備的東西。

所以同頻的情況下，x86要優於ARM。

by@破布

先說分支預測。分支預測不是在解碼之後，而是在整個流水線的幾乎最前端，也就是取指令的地方就開始做了，那個地方一般放著BTB和第一級分支預測器，解碼階段的流水線會放著第二級預測器，現在一般是這種兩級結構，另外是多層複合結構，也就是間接跳轉分支預測，返回棧預測……多種預測器複合起來，由BTB的分支種類bit來指示使用哪個預測器，或者是用錦標賽分支預測器的做法，用一個2bit計數器來判斷哪個預測器最近結果最准。分支預測器裡面通常都需要鋪開非常大的記錄表（參見ISCA 91~93 Yale N.Patt組發的論文），這個記錄表的大小直接關係到預測準確率，x86處理器的面積和功耗預算都遠高過ARM，面對這些需要鋪表的地方通常可以比較大手大腳，ARM就不行，這也是一個原因。
分支預測只預測指令流走向，不會預測【哪些可以並行執行，哪些指令需要的數據可以提前提取，哪些指令執行的結果目標的存放位置】，這些是交給亂序執行來做的。分支預測和多發射、亂序執行關係很緊密，因為亂序多發射以後碰到的指令流分叉會很多，分支預測越強，分支的干擾越小。80年代~90年代中後期對分支預測的狂熱研究的出發點就是，未來的CPU將會往激進的多發射方向發展，因此對分支預測的研究會很有用 —— 他們賭對了。

多發射（multi-issue）

待補充。。。。。。

其實這一切，也可以理解為Intel對CPU的設計水平要優於採用ARM指令集的廠商。

換句話說，有一天，Intel即使要改用ARM指令集，也非常可能做得比現在的廠商要好。

因為這不是指令集，不是標準的規範，不是一份paper，每個公司都可以到照方抓藥就完事的。

它是一個團隊，對於處理器技術的深入研究，所做的細微的，精確的創新。

額感覺主要差在指令所花時鐘周期ARM較長，沒有那麼多SIMD，每個核心沒有CPU那麼多管線/超標量沒有X86那麼強....

緩存，亂序執行弱還有很多原因.....

如果單單比較主頻的話，也不能得出這個結論。例子很簡單，都是1.3GHz單核，我相信現在大部分的ARM處理器，還是可以秒殺我家老電腦的銅礦和圖拉丁的賽揚的。

如果是同樣的指令執行速度（單位MIPS，百萬指令每秒）的話，那麼是很有可能的，這個是來自於CISC（複雜指令集計算機，以x86為代表）和RISC（精簡指令集計算機，以ARM、PowerPC為代表）的區別。

計算機需要完成許多功能，這些功能可以通過編程（軟體方式）實現，也可以通過指令（硬體方式）實現，而顯然，通過硬體方式實現顯然是會比軟體方式要快的。所以在CISC計算機中，會集成有大量的指令集，這些指令都可以完成複雜的功能，比如我們常用的x86的CPU，裡面包含了許多多媒體指令，可以提高計算機處理多媒體信息的速度。

不過，指令集數量的增加也是使得電路的複雜度大大提高，解碼部件也越來越複雜。而實驗表明，計算機有80%的時間在使用20%的指令集，於是就有了RISC的想法。通過簡化指令集，提供CPU處理各條指令的速度，以便高速完成大部分任務，而對於少部分的任務，可以多花費一些時間的代價，通過軟體方式去完成。

所以，因為CISC的指令比較複雜，完成的功能比較多，每一條指令（平均）完成的計算量，是CISC比較多，即相同的指令執行速度的情況下，CISC勝於RISC。而主頻，只有在相同架構下才能和速度有關係，不同架構下直接比較主頻意義不大。

因為x86是CISC，ARM是RISC，同樣一個較為複雜的功能（例如XLAT位元組查錶轉換、IDIV整數除法，或者MMX、SSE、3DNow等），x86有專門的邏輯電路只用一條指令在幾個周期之內就完成了，ARM得用很多條指令在多個周期內完成。

此外，x86還得處理不同指令、數據之間的對齊問題，會花費較多的時間；而ARM指令都是32位對齊的。

當然，這取決於大部分時間進行何種計算。

如果非要在同頻率條件下比較，現在的ARM是不是需要和386~586時代的x86對比？就像你問孫悟空和變形金剛、關羽和魯智深誰更厲害的問題類似。

但是，如果都是以大量簡單的邏輯、加或乘運算為主，再考慮功率問題，ARM完勝。

為什麼你們不說晶體管數量。

沒有最好的只有最合適的。ARM的宗旨是在能夠滿足需要的情況下功耗要低，晶元成本（面積）也要最低。最好的評估方法是在某個場景約束下（比如功耗要求，散熱要求，晶元面積等）性能最佳，也就是PPA

ARM是RISC指令集的CPU，而x86是CISC指令集的。一些複雜的運算x86可能一下能搞定，ARM就要用更簡單的運算操作搞很多次。當然本質上，x86需要有更多的功能單元支持更加複雜的指令集。

個人以為同晶體管數量級的CPU做比較靠譜，您覺得ARM作為一款移動CPU的指令集，它可能擁有桌面PC X86平台指令集那樣的複雜程度嗎？

我只是覺得電腦都是X86的手機都是ARM的所以X86的好

時國懷說的不錯主頻不等於一秒鐘執行的指令個數。..你先弄清楚頻率的單位是Hz,你可以想像Hz是能量.一個技能(指令)能量越高,(執行越快)

大的方向先不談就先說說你手機能維持多久的滿載？arm中Apple算最強的吧主頻才多少？能維持多少分鐘？更不用說其它一緩二緩都查不到高通mtk等了更何況無風扇pc也不見得比arm強

同晶體管數下（小規模低功耗範圍） arm比x86強大

不做專業分析，通俗來講本質是指令集的不同。比如同主頻的arm和x86，arm採用的的精簡指令集而x86是複雜指令集，同主頻可以認為單位時間執行相同條數的指令，比如10條，重點來了，可能你ram的SICS指令集的這10條指令完成的計算功能在CISC指令集中一條指令就完成了！這就已經有10倍的差距了。

更本質一點的話，SISC的一條指令的邏輯處理電路要遠少於CISC的邏輯電路。

arm其實還不錯啦，cpu不只是主頻，還有電壓、運算單元數量等等決定主頻性能