深入理解计算机系统 - 指令集体系结构

1. 指令集体系结构（Instruction-Set Architecture, ISA）

1.1 定义

一个处理器支持的指令和指令的字节级编码就是这个处理器的ISA，包括很多个部分：

• 指令集
• 指令集编码
• 基本数据类型
• 一组编程规范
• 寄存器
• 寻址模式
• 存储体系
• 异常事件处理
• 中断
• 外部I/O

不同的处理器家族，例如Intel IA32、IBM/Freescale PowerPC和ARM，都有不同的ISA。维基百科 - Architecture list

1.2 作用

1. ISA在编译器编写者（CPU软件）和处理器设计人员（CPU硬件）之间提供了一个抽象层：
   
   • 处理器设计者：依据ISA来设计处理器
   • 处理器使用者（如：写编译器的牛*程序员）：依据ISA就知道CPU选用的指令集，就知道自己可以使用哪些指令以及遵循哪些规范
2. 定义处理器上的软件如何构建，这是ISA的最重要内涵，现代处理器都是支持高级语言编程、操作系统等等特性，ISA要定义出指令集内的指令是如何支撑起C语言里堆栈、过程调用，操作系统里异常、中断，多媒体平台里数字图像处理、3D加速等等。

1.3 TIPS

1. 常见的一个误解的答案：指令集并不存储于CPU中，应该这样说：CPU本身是指令集(结构)的一个实现/实例；
2. 一个ISA可能包含多个指令集；

2. ISA与微体系结构

ISA只是描述了CPU应该支持的每条指令是做什么事的，即指令的功能。而微体系结构是描述处理器实际上是怎么实现的。

2.1 微体系结构

微体系结构是计算机体系结构中偏向硬件的部分，它可以理解成数字电路如何实现处理器中的各个功能，通常关心的内容包括，指令的流水线结构，计算单元的电路（加法器等等），存储器的结构（寄存器堆、Cache的结构）等等 ；

一个实例如下：
1. 拿Intel来说，（其ISA是IA-32等）其pentium 4处理器的微体系结构是NetBurst，现代，其Core（酷睿）系列CPU的微体系结构已经经历了好几代：Bloomfield(2008年）、Lynnfield(2009年)、Clarksfield(2009年)、Ar randale(2010年)、Gulftown(2010年)、Sandy Bridge(2011年)、Ivy Bridge(2012年)、Haswell(2013年)、Haswell Devil’s Canyon(2014年)、Broadwell（2015年）、Skylake（2015年）。
2. 拿ARM来说，（其ISA是ARMv7等）其微体系结构是ARM11等从11往后叫cortex系列，其中cortex-A系列有32位的A7、A9、A15，64位的A53、A57。

3. 指令集（Instruction set）

3.1 定义

通常会把CPU的扩展指令集称为”CPU的指令集”（因为基本的，类似加减的指令似乎是必须被CPU所支持的指令）。每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令集。

指令集可分为复杂指令集(CISC:sisk)和精简指令集(RISC:risk)两部分，这部分暂不继续讨论了。

Intel的MMX(Multi Media Extended)、SSE、 SSE2(Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2)、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集，分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。维基百科 - Comparison instruction set

3.2 指令

一条二进制机器指令由：指令码（操作码）+操作数组成。

1. 操作码用来说明：指令的功能和执行的操作;
2. 操作数说明：操作所涉及的源和目的数据的位置；
   
   • 源：立即数（即指令中包含的常亮）、寄存器、存储器、I/O端口等；

一个流程

一个我思考出来的可能的流程是这样:

• CPU开发商
  
  1. 一个CPU厂商决定开发一个CPU，他们先要决定/选定一种指令集体系结构，他们当然不想自己开发，好了他们选用ARM的ARMv7；
  2. 那么该如何实现ARMv7呢？我们还是不去自己设计微体系结构了，还是用ARM公司配套的cortex吧，这样我们就能在硅晶片上做出一个CPU了；（当然中间省去了很多步骤）
• CPU使用者（开发一个C编译器）
  
  1. 这颗CPU可以运行什么样的指令呢？发现使用CPU使用的是ARMv7，那么就查看ARMv7的文档就好了，这是RISC的一种
  2. 编译器完成了，它的功能是：将C源代码编译为可以在ARMv7上执行的二进制命令代码，即目标文件
  3. 此时一个小程序员写了一段简单C程序test.c，我们调用编译器将test.c编译为ARMv7上的可执行文件test.o
  4. 目标文件中包含了程序怎么开始和结束执行、需要操作的数据、如何与操作系统交互等等。只要运行这个目标程序，CPU就能执行其中的指令了