指令集体系结构 ¶

ISA 概念 ¶

指令 ¶

指令（instruction）= 操作符（opcode）+ 操作数（operand）

指令格式包含长度、操作数个数、寄存器个数、寻址内存大小、寻址模式等

指令集 ¶

CPU 可以“理解”的一系列指令，以二进制机器码（machine code）的形式表现

指令集体系结构 ¶

规定了所有硬件实现的指令、规定了指令符号名称、二进制编码格式，提供了每条指令精确定义的”手册“即指令集体系结构（ISA，Instruction Set Architecture）

计算机根据 ISA 实现，ISA 可以有多种实现、ISA 使软件可以操纵硬件、ISA 定义了机器语言，ISA 规定了微处理器（microprocessor）的设计（ISA 定义了 CPU 或者一类 CPU，它包含 CPU 的内存视图、寄存器个数等信息，而不只是一系列指令的集合）

注：体系结构覆盖整个计算机，包括 ISA、组成和硬件，而不仅仅是 ISA。ISA 也不是 CPU 的体系结构（同一 ISA 有不同种 CPU）

ISA 设计 ¶

设计原则 ¶

指令格式设计原则 ¶

• 指令长度要短
• 为新的 opcode 留出足够空间
• 有区分性的编码
• 设计好操作数的个数
• 设计好指令的对齐模式
• 保持规范化

ISA 设计原则 ¶

• Simplicity favors regularity
• Make the common case fast
• Smaller is faster
• Good design demands good compromises

操作数 ¶

操作数个数 ¶

一般没有 4 个或以上操作数的指令，这样每个操作数不一定都会用上，而且会增加 CPU 的复杂度，并且使指令变长

大部分指令集均有 0/1/2/3 个操作数。下面以计算 Y = (A - B) / (C + (D * E)) 为例子

三操作数指令 ¶

可以有两个源操作数和一个目的操作数

SUB R1, A, B
MUL R2, D, E
ADD R2, R2, C
DIV R1, R1, R2

二操作数指令 ¶

压缩目的操作数到源操作数，也就是用一个源操作数同时代表目的

SUB A, B    ; A <- A - B
MUL D, E    ; D <- D * E
ADD D, C    ; D <- D + C
DIV A, D    ; A <- A / D

MOV R1, A
MOV R2, D
SUB R1, B
MUL R2, E
ADD R2, C
DIV R1, R2

一操作数指令 ¶

可以通过继续隐藏一个操作数的方法来构造出一操作数的指令，比如规定运算中的一个操作数和目的都为 Acc（累加器）

LDA D   ; Acc <- D
MUL E   ; Acc <- Acc * E
ADD C   ; Acc <- Acc + C
STO R1  ; R1 <- Acc
LDA A   ; Acc <- A
SUB B   ; Acc <- Acc - B
DIV R1  ; Acc <- Acc / R1

零操作数指令 ¶

因为是零操作数，所以指令运算中的三个地址都是隐式的，可以使用栈来操作，即每次运算取出栈顶两个元素然后运算后将结果压回栈中

PUSH B  ; B
PUSH A  ; B, A
SUB     ; A-B
PUSH E  ; A-B, E
PUSH D  ; A-B, E, D
MUL     ; A-B, D*E
PUSH C  ; A-B, D*E, C
ADD     ; A-B, C+D*E
DIV     ; (A-B)/(C+D*E)

可见操作数越多，指令越复杂但程序包含的指令条数少；操作数越多，指令越简单，指令执行越快，但程序包含的指令条数也会越多

寻址模式 ¶

在指令执行的过程中，如何获取操作数取决于指令的寻址模式。寻址模式指定了一个在实际访问操作数之前，解释或调整指令地址字段的规则，用这个规则可以生成操作数的有效地址（effective address）。

寻址模式可以指定到常数、寄存器和内存地址。高效的寻址模式设计可以减少指令的长度。下面是一些常见的寻址模式

立即数寻址 ¶

立即数寻址（immediate addressing）即操作数就在指令当中，也就是指令中有一个操作数字段就代表了这个常数本身而不是地址。

直接寻址 ¶

直接寻址（direct addressing）即操作数作为内存地址，直接读取该地址处的值进行操作，也就是指令中有 ADRS，但实际用的是 M[ADRS]

这就有了一个问题，如果是 32 位的地址，指令也是 32 位的，不能放下完整的地址，所以一般使用段地址和偏移地址配合，隐含一个段地址，然后 ADRS 仅使用偏移地址。但是直接寻址需要在汇编的时候就知道准确的地址位置

直接寻址的地址也可以代表一个寄存器

间接寻址 ¶

间接寻址（indire addressing）即操作数中包含内存地址，这个内存地址处的值还是一个地址，这个地址所指向的位置是实际要用的数。也就是指令中有 ADRS，但实际用的是 M[M[ADRS]]

ADRS 必须在汇编的时候固定，但是 ADRS 所指向的位置可以是变化的，这样可以使访问数组这样的操作变得更方便

ADRS 也可以是一个寄存器

变址寻址与基址寻址 ¶

二者很相似，都是将寄存器值与地址加起来的和作为实际要访问的地址

• 变址寻址（indexed addressing），寄存器保存的是偏移地址，指令中地址保存的是基地址
• 基址寻址（based addressing），寄存器保存的是基地址，指令中地址是偏移地址

总结：

操作类型及编码 ¶

操作类型 ¶

一般的指令集都包含下面这些种操作类型：

• 算数运算、逻辑运算
• 移位运算
• 数据传送（MOV/LOAD/STORE 之类）
• 字符串运算
• 控制流变化（BRANCH/JMP/CALL/RET 等）
• 系统指令（HALT/INT 等）
• 输入输出
• ...

指令编码 ¶

指令编码的长度有几种

• 变长（Variable）：每条指令的长度都不一定
• 定长（Fixed）：所有指令都是同一长度
• 混合（Hybrid）：有多种指令的长度

一般如果代码的大小最重要的话选择变长指令，如果是执行表现最重要的话选择定长指令。而一些为了兼容，可能会选择混合长度指令

RISC 与 CISC ¶

CISC¶

CISC（Complex Instruction Set Computer）即复杂指令集计算机

• 编程和执行之间的语义间隔（semantic gap）小
• 程序机器码体积小
• 编译过程简单

CISC 类型的指令集体系结构有 x86、Intel 432、IBM 360、DEC VAX 等

RISC¶

RISC（Reduced Instruction Set Computer）即精简指令集计算机

• 由 IBM 发明
• RISC 的指令很少，而且每个指令简单，长度固定
• CISC 每增加一个指令都会使解码变慢，从而使整个 ISA 都会变慢，但 RISC 不会
• 运算的操作数都是寄存器（reg-reg）
• 编译会更复杂

RISC 类型的指令集体系结构有 RISC I、RISC II、MIPS、ARM、RISC V 等

CISC 与 RISC 区别：

CISC 和 RISC 在发展中也不应完全割裂

寻址结构 ¶

寻址结构有几种：

• 累加器结构，Accumulator（1960 前，如 68HC11）
• 栈结构，Stack（1960s ~ 1970s）
• 存储器到存储器结构，Memory-Memory（1970s ~ 1980s）
• 寄存器到存储器结构，Register-Memory（1970s 至今，如 x86）
• 寄存器到寄存器结构，Register-Register（1960s 至今，如 MIPS），又称装载 / 存储结构（Load/Store）

栈结构 ¶

• ALU 运算没有操作数，push/pop 有一个操作数
• 优点
  • 指令短
  • 硬件要求低
  • 编译器好写
• 缺点
  • 效率低
  • 栈空间有限
  • 并行或流水线能力弱
  • 编译器难优化
• 例子：60 年代的 B5500/6500 HP3000/70，现在的 Java 虚拟机

累加器结构 ¶

• 使用单个操作数（一个显式一个隐含）
• 指令有 ALU 运算、加载到累加器、从累加器输出到存储器
• 优点
  • 硬件要求极低
  • 易于设计、理解
• 缺点
  • 累加器成为瓶颈
  • 并行 / 流水线能力弱
  • 需要的 load store 很多，内存读写频繁
• 例子：早期 IBM 7090 等，现在的 DSP 结构

存储器到存储器结构 ¶

• 所有的 ALU 运算都从存储器读写
• 优点
  • 无需使用寄存器
  • 需要的指令数量少
  • 容易写编译器
• 缺点
  • 指令长度变化大
  • 每条指令执行的时间浮动也大
  • 巨大的存储器读写导致效率低
• 例子：VAX

寄存器到存储器结构 ¶

• ALU 操作中有一个存储器
• 一般指令有两个操作数
• 优点
  • 指令数量少
  • 指令易于编解码
• 缺点
  • 运算结果会覆盖原值
  • 指令长度变化大
  • 指令运行时间变化大
  • 可能会限制寄存器个数
• 例子：IBM 360/370、VAX

装载 / 存储结构 ¶

• ALU 指令中不需要存储器
• 一般指令有三个操作数
• 优点
  • 简单、定长的指令编码
  • 指令运行的时间变化小
  • 易于进行流水线
• 缺点
  • 指令个数多
  • 并不是所有操作都有三个操作数
  • 需要更好的编译器
• 例子：CDC6600、CRAY-1、大部分 RISC

寄存器的优缺点

• 优点
  • 比存储器读写更快
  • 更明确
  • 需要更少比特就能定位使用哪个寄存器
  • 节省内存读写
• 缺点
  • 在进行过程调用的时候需要保护寄存器（存储 / 恢复）
  • 不能取一个寄存器的地址
  • 寄存器可存储的长度固定
  • 编译器需要更好的管理寄存器
  • 寄存器个数有限

RISC-V ISA¶

见 RISC-V ISA