系统架构、指令集、操作系统

最近总是在被这几个概念困扰。因此打算整理一下，以备查看，也方便其他文章引用。

系统架构与硬件平台

系统架构（System Architecture）指的是计算机硬件的整体设计和组织方式，包括处理器架构、存储层次结构、总线设计等。

硬件平台则是基于特定架构实现的物理硬件系统，例如处理器、主板等。

常见的系统架构有如下这些：

• x86架构，由Intel和AMD主导，广泛用于桌面PC、笔记本电脑、服务器等。
• ARM架构，追求低功耗和高效能，应用于智能手机、嵌入式设备、物联网设备等。
• RISC-V架构，开放指令集架构，灵活可定制，逐渐受到学术界和工业界关注。
• Power架构，IBM开发的高性能计算架构，常用于服务器和超级计算机。
• MIPS架构，另一种RISC架构，历史上用于嵌入式系统和路由器。

其中最常见的还是x86架构和ARM架构。系统架构一般与硬件平台相关联。例如，x86架构由Intel和AMD两家公司生产的CPU主导；arm架构的芯片则有Apple M系列芯片（M1、M2）、高通骁龙、三星Exynos等；Power架构的硬件平台主要是 IBM Power Systems。

指令集架构

指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）是处理器对外提供的软件接口，定义了硬件如何理解和执行软件指令。它是硬件和软件之间的桥梁。

在编译和汇编课程上，会接触到汇编语言。汇编语言有点像一半人类可读、一半机器可读的东西，比较能体现出指令集。例如C++作为一种高级语言，在不同操作系统的都比较统一；但是在向机器语言翻译时，所用到的指令集不同，翻译的方式也就会不同。

主要的指令集架构有这些：

• x86指令集，CISC架构，复杂指令集。
  • x64，又称x86_64，也称AMD64. 是64位的x86指令集。
• ARM指令集，RISC架构，简化指令集。
  • 存在一些变种，例如AARCH。
  • AARCH32：ARM的32位指令集。
  • AARCH64：ARM的64位指令集（ARMv8及以上）
• RISC-V指令集，开放源代码指令集，可自由扩展。
• Power指令集，IBM开发，面向高性能计算。
• MIPS指令集，简化指令集，设计理念类似RISC。

可以发现，指令集架构和系统架构是一一对应的。毕竟，需要有硬件支持才能运行对应的指令集；硬件又一般专为某种指令集而设计。

操作系统

操作系统（Operating System, OS）是管理硬件资源和提供用户接口的软件。不同的操作系统支持不同的硬件架构和指令集。

如下是一些常见的操作系统：

• Windows，主要支持x86/x64架构，部分支持ARM架构。
• Linux，基于Linux内核，支持x86、ARM、RISC-V、Power等多种架构。常见的发行版有：Ubuntu、Debian、Red Hat、Fedora。
• macOS，支持x86架构（以前使用intel芯片的时代）和ARM架构（现在使用M1/M2芯片的时代）。
• Android，主要支持ARM架构，仅有小部分支持x86架构。
• iOS，支持ARM架构。

开发包选择

有的时候，有些开发包（例如交叉编译链）会提供给不同的操作系统和不同的架构。

比如，这是一个交叉编译链工具包提供的版本，针对不同的操作系统、架构提供了不同的工具。此时，不仅需要关注自己的操作系统，还需要注意自己操作系统使用何种芯片（使用何种指令集）。

开发平台名称/host类型	具体含义
Windows (mingw-w64-i686)	32位windows操作系统
Windows (mingw-w64-x86_64)	64位windows操作系统
x86_64 Linux	使用x86架构的Linux系统
aarch64 Linux	使用aarch64架构的Linux系统
macOS (x86_64)	使用x86芯片的Mac
macOS (Apple silicon)	使用苹果芯片的Mac

此外，有时会遇到奇怪的选择：在amd64和arm64中选一个。其实，这个地方的amd64就是x86_64. 关于这点，还有一个小故事（引自这里）：

• 1978年6月8日,Intel发布了8086处理器,开启了x86架构的时代。8086是一款16位微处理器,它不仅是Intel最成功的处理器系列的开端,也标志着x86指令集的诞生。
• 在这个过程中，AMD作为Intel的竞争对手,也开始生产兼容x86指令集的处理器。特别是在386和486时代,AMD作为Intel的第二源供应商,为x86架构的发展做出了贡献。
• 进入90年代后,随着计算需求的增长,Intel和AMD都意识到32位架构的局限性,开始着手开发64位扩展。1999年,AMD率先发布了x86_64指令集,作为x86架构的64位扩展。随着x86_64的成功,AMD将其重命名为AMD64,以强调自己的贡献和品牌。虽然Intel后来也采用了x86_64标准(称为Intel 64),但AMD64这个名字已经深入人心。

所以说，amd64也可以指代x86_64.