《计算机体系结构量化研究方法（第六版）》个人总结——1.3 计算机体系结构的定义

1.3 计算机体系结构的定义

前言

《计算机体系结构量化研究方法（第六版）》John L. Hennessy David A. Patterson
个人总结

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计算机设计人员面对一个非常复杂的任务：判断哪些属性对于一个新计算机来说至关重要，然后在设计这种计算机时使其性能和能效达到最佳，同时还要满足成本、功耗和可用性约束条件。这项任务包括指令集设计、功能组织、逻辑设计、实现方式这些方面。实现方式可能包括集成电路设计、封装、电源和散热。为使设计方案达到最优效果，设计人员需要熟悉从编译器、操作系统到逻辑设计与封装等各种技术。

几十年前，计算机体系结构（computer architecture）一词通常仅指代指令集设计。计算机设计的其他方面称为实现，隐含之意就是实现方式不太重要。但我们认为这种观点是错误的，架构师或者设计师的工作远不止指令集一项，在项目其他方面遇到的技术障碍可能比在指令集设计中遇到的障碍更具挑战性。

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1.3.1 指令集体系结构：计算机体系结构的近距离审视

此书用指令集体系结构（instruction set architecture, ISA）一词指代程序员可以看到的实际指令集。ISA相当于软件和硬件之间的界限。在下面对ISA的快速回顾中，将使用80x86、ARMv8和RISC-V
的例子从其方面来介绍ISA。最流行的RISC处理器来自ARM（Advanced RISC Machine）, 2015年交付的芯片中由148亿片使用了这种处理器，大约是80x86处理器的芯片的50倍。

RISC-V是加州大学伯克利分校开发的一个现代RISC指令集，为了回应工业界的需求，它是免费的、开放的。除了一个完整的软件栈（编译器、操作系统和模拟器）之外，还有若干种RISC-V实现，可免费用于定制芯片或现场可编程门阵列中（FPGA，Field－Programmable Gate Array）。RISC-V诞生于第一个RISC指令集出现的30年后，继承了前辈的出色理念——一大组寄存器、易于实现流水线化的指令、一组精简的操作，同时又避免了它们的疏漏和错误。RISC-V是RISC体系结构的一个免费、开放、优美的实例，有60多家公司加入了RISC-V基金会，其中包括AMD、Google、HP、IBM、Microsoft、NVIDIA、Qualcomm、三星和Western Digital。RISC的整数核ISA作为此书的示例ISA。

（1）ISA分类。现今几乎所有的ISA都被划分到通用寄存器体系结构中，在这种体系中，操作数要么是寄存器，要么是存储地址。80x86有16个通用寄存器和16个浮点寄存器，而RISC-V则有32个通用寄存器和32个浮点寄存器。这一类别有两种主流版本，一种是寄存器—存储器ISA，比如80x86，可以在许多指令中访问存储器；另一种是载入—存储ISA，比如ARMv8和RISC-V，它们只能用载入指令或存储指令来访问存储器。自1985年后发布的所有ISA都是载入—存储ISA。

（2）存储器寻址。几乎所有桌面计算机和服务器计算机（包括80x86、ARMv8和RISC-V）都使用字节寻址来访问存储器操作数。有些体系结构（比如ARMv8）要求操作对象必须是对齐的。即对于一个大小为s字节、字节地址为A的对象，如果A mod s = 0，则这个对象的访问是对齐的。80x86和RISC-V不要求对齐，但如果操作数是对齐的，访问速度通常会更快一些。

注意：s字节可以是多字节、字、半字或者一个字节。这样的对象都是对齐的。

（3）寻址模式。
（4）操作数的类型和大小。
（5）操作指令。
（6）控制流指令。
（7）ISA的编码。