CPU的指令集（指令系统）

要讲CPU，就必须先讲一下指令系统。指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合，是一个CPU的根本属性。
比如我们现在所用的CPU都是 采用x86指令集的，他们都是同一类型的CPU，不管是PIII、Athlon或Joshua。我们也知道，世界上还有比PIII和Athlon快得多的 CPU，比如Alpha，但它们不是用x86指令集，不能使用数量庞大的基于x86指令集的程序，如Windows98。
之所以说指令系统是一个CPU的 根本属性，是因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。所有采用高级语言编出的程序，都需要翻译（编译或解释）成为机器语言后才能运行，这些机器语言中所包含的就是一条条的指令。

1、指令的格式
一条指令一般包括两个部分：操作码和地址码。
a) 操作码其实就是指令序列号，用来告诉CPU需要执行的是那一条指令。
b) 地址码则复杂一些，主要包括源操作数地址、目的地址和下一条指令的地址。
在某些指令中，地址码可以部分或全部省略，比如一条空指令就只有操作码而没有地址码。
c) 举个例子吧，某个指令系统的指令长度为32位，操作码长度为8位，地址长度也为8位，且第一条指令是加，第二条指令是减。当它收到一个 “00000010000001000000000100000110”的指令时，先取出它的前8位操作码，即00000010，分析得出这是一个减法操作，有3个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。于是，CPU就到内存地址00000100处取出被减数，到00000001处取出减数，送到 ALU中进行减法运算，然后把结果送到00000110处。
这只是一个相当简单化的例子，实际情况要复杂的多。

2、 指令的分类与寻址方式
一般说来，现在的指令系统有以下几种类型的指令：
a) 算术逻辑运算指令：
算术逻辑运算指令包括加减乘除等算术运算指令，以及与或非异或等逻辑运算指令。
现在的指令系统还加入了一些十进制运算指令以及字符串运算指令等。
b) 浮点运算指令：
用于对浮点数进行运算。浮点运算要大大复杂于整数运算，所以CPU中一般还会有专门负责浮点运算的浮点运算单元。
现在的浮点指令中一般还加入了向量指令，用于直接对矩阵进行运算，对于现在的多媒体和3D处理很有用。
c) 位操作指令：
学过C的人应该都知道C语言中有一组位操作语句，相对应的，指令系统中也有一组位操作指令，如左移一位右移一位等。对于计算机内部以二进制代码表示的数据来说，这种操作是非常简单快捷的。
d) 其他指令：
上面三种都是运算型指令，除此之外还有许多非运算的其他指令。这些指令包括：数据传送指令、堆栈操作指令、转移类指令、输入输出指令和一些比较特殊的指令，如特权指令、多处理器控制指令和等待、停机、空操作等指令。
对于指令中的地址码，也会有许多不同的寻址（编址）方式，主要有直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，基址寻址，变址寻址等，某些复杂的指令系统会有几十种甚至更多的寻址方式。

3、 CISC，RISC，IA-64（EPIC）

（１）CISC的产生、发展和现状
CISC（Complex Instruction Set Computing，复杂指令集）。

a) 一开始，计算机的指令系统只有很少一些基本指令，而其他的复杂指令全靠软件编译时通过简单指令的组合来实现。
举个最简单的例子：一个a乘以b的操作就 可以转换为a个b相加来做，这样就用不着乘法指令了。当然，最早的指令系统就已经有乘法指令了，这是为什么呢？因为用硬件实现乘法比加法组合来得快得多。
b) 由于那时的计算机部件相当昂贵，而且速度很慢，为了提高速度，越来越多的复杂指令被加入了指令系统中。
c) 但是，很快又有一个问题：一个指令系统的指令数是受指令操作码的位数所限制的，如果操作码为8位，那么指令数最多为256条（2的8次方）。
那么怎么办呢？指令的宽度是很难增加的，聪明的设计师们又想出了一种方案：操作码扩展。前面说过，操作码的后面跟的是地址码，而有些指令是用不着地址码或只用少量的地址码的。那么，就可以把操作码扩展到这些位置。
举个简单的例子：如果一个指令系统的操作码为2位，那么可以有00、01、10、11四条不同的指令。现在把11作为保留，把操作码扩展到4位，那么 就可以有00、01、10、1100、1101、1110、1111七条指令。其中1100、1101、1110、1111这四条指令的地址码必须少两位。
然后，为了达到操作码扩展的先决条件：减少地址码，设计师们又动足了脑筋，发明了各种各样的寻址方式，如基址寻址、相对寻址等，用以最大限度的压缩地址码长度，为操作码留出空间。

就这样，慢慢地，CISC指令系统就形成了，大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式是CISC的特点，也是CISC的缺点：因为这些都大大 增加了解码的难度，而在现在的高速硬件发展下，复杂指令所带来的速度提升早已不及在解码上浪费点的时间。除了个人PC市场还在用x86指令集外，服务器以 及更大的系统都早已不用CISC了。x86仍然存在的唯一理由就是为了兼容大量的x86平台上的软件。

在CISC微处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。

（２）RISC的产生、发展和现状
RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集）。

1975年，IBM的设计师John Cocke研究了当时的IBM370CISC系统，发现其中占总指令数仅20%的简单指令却在程序调用中占了80%，而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到。由此，他提出了RISC的概念。

复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性，使处理器的研制时间长，成本高。并且复杂指令需要复杂的操作，必然会降低计算机的速度。基于上述原因，20世纪80年代RISC型CPU诞生了，相对于CISC型CPU ,RISC型CPU不仅精简了指令系统，还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”，大大增加了并行处理能力（并行处理并行处理是指一台服务器有多个CPU同时处理。并行处理能够大大提升服务器的数据处理能力。部门级、企业级的服务器应支持CPU并行处理技术）。也就是说，架构在同等频率下，采用RISC架构的CPU比CISC架构的CPU性能高很多，这是由CPU的技术特征决定的

RISC体系结构和设计思想是80年代初出现的，RISC与CISC指令系统是完全不同，完全决裂的指令系统。
它的基本思路是：抓住CISC指令系统指令种类太多(其中80%以上都是程序中很少使用的指令)、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点(例如，VAX 780的指令操作类型超过1000种，而Alpha只有不到50种指令)，通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式，大量利用寄存器间操作，大大简化处理器的结构、优化VLSI器件使用效率，从而大幅度地提高处理器性能、并行处理能力和性价比。

到80年代后期，RISC技术已经发展成为支持高端服务器系统的主流技术，各厂商纷纷推出了32位RISC微处理器。（如：IBM的PowerPC和Power2，Sun的SPARC，HP的PA-RISC 7000和MIPS的R系列等。）
基于32位RISC芯片的产品在取得了很大的成功，应用日益广泛、软件大量积累、在市场上也产生巨大的影响。

后来，Alpha作为64位RISC技术的领头羊，开创了64位RISC计算的新时代。
各主要厂商也都在90年代先后推出了自己的64位RISC微处理器（包括：IBM的Power和PowerPC系列、HP的PA-RISC 8000系列、Sun的UltraSPARC系列和MIPS的R10K系列等）。在此期间，Alpha始终保持了性能领先的地位。

由于RISC指令集自身的优势，64位RISC微处理器主要在高端服务器领域和高端企业市场上运用。

事实证明，RISC是成功的。80年代末，各公司的RISC CPU如雨后春笋般大量出现，占据了大量的市场。到了90年代，Intel推出了Pentium处理器,从Pentium pro构架开始，也开始使用一种混合的CISC/RISC构架（注意：这里X86架构上有改变,但仍然是IA-32,是32位处理器，直到AMD推出了X86-64及Intel跟随推出IA-32e之后，才有64位技术）。

RISC的最大特点是指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，大多数是简单指令且都能在一个时钟周期内完成，易于设计超标量与流水线，寄存器 数量多，大量操作在寄存器之间进行。

（3）IA-64（EPIC）产生、发展和现状
IA-64 (Intel Architechure-64，英特尔64位体系架构)
EPIC (EPIC--Explicitly Parallel Instruction Computing；显性并行指令计算)

到90年代末，32位芯片的“霸主”Intel宣布与HP合作推出64位IA-64体系结构的处理器。
Inter和HP从1994年开始合作开发新型的64位芯片，它们选择了一个与大多数RISC微处理器大不相同的方向，推出了一种新的64位指令系统体系结构IA-64。它们把这一体系结构称为EPIC(显性并行指令计算)。

EPIC既不是RISC也不是CISC，它实质上是一种吸收了两者长处体系结构。IA-64的EPIC体系结构又在这两者教训基础上另辟蹊径。
EPIC与Cydrome公司(一个80年代走向失败的小巨型机公司)的VLIW体系结构 (Very Long Instruction Word,超长指令集架构)有一定程度的相象之处。

IA-64（EPIC）架构的处理器，目前只应用在Intel的Itanium（安腾）处理器（目前最高端的处理器）上，基于它专为要求苛刻的企业和技术应用而设计，是瞄准高端企业市场的。

Intel 和HP合作开发的IA-64 EPIC体系结构安腾系列的先进性和开放性以及发展潜力，它将要取代64位RISC芯片成为未来系统设计和企业应用的主流平台。

RISC与　IA-64(EPIC)相比：
64位RISC和IA-64(EPIC)架构的CPU，主要是应用在要求苛刻的技术应用和企业的高端服务器平台上。
IA-64CPU（安腾）可以说是目前最高端的处理器，基于IA-64先进性和开放性以及发展潜力，它必将要取代64位RISC芯片成为未来系统设计和企业应用的主流平台。
但这向CPU历史上的技术革命，基于其技术架构、成本等各方面的因素，发展到主流民用市场的话，还有非常长的路要走。

附：
安腾处理器详细见文章：“Intel安腾处理器”
RISC与IA64参考文章：“64位微处理器体系结构发展回顾和展望（64位微处理器的发展历史）（RISC与 IA-64<EPIC>架构微处理器的发展历史）”

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4、CPU的扩展指令集
市面上Intel和AMD的桌面级处理器，在“X86指令集”的基础上，为了提升处理器各方面的性能，所以又各自开发新的指令集。指令集中包含了处理器对多媒体、3D处理等方面的支持，这些指令集能够提高处理器对这某些方面处理器能力，但是需要有必要的软件支持。

1> MMX 指令集 （Multi Media Extended）
MMX（Multi Media Extended，多媒体扩展指令集）指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术。
MMX指令集中包括有57条多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理，这样在软件的配合下，就可以得到更高的性能。
a) MMX的益处在于：当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改便可以轻松地执行MMX程序。
b) 问题也比较明显：那就是MMX指令集与x87浮点运算指令不能够同时执行，必须做密集式的交错切换才可以正常执行，这种情况就势必造成整个系统运行质量的下降。

2> SSE指令集 （Streaming-Single instruction multiple data-Extensions）
SSE（Streaming SIMD Extensions，单指令多数据流扩展）指令集是Intel在Pentium III处理器中率先推出的。其实，早在PIII正式推出之前，Intel公司就曾经通过各种渠道公布过所谓的KNI（Katmai New Instruction）指令集，这个指令集也就是SSE指令集的前身，并一度被很多传媒称之为MMX指令集的下一个版本，即MMX2指令集。
究其背景，原来"KNI"指令集是Intel公司最早为其下一代芯片命名的指令集名称，而所谓的"MMX2"则完全是硬件评论家们和媒体凭感觉和印象对"KNI"的 评价，Intel公司从未正式发布过关于MMX2的消息。

最后在Intel推出Pentium III处理器的时候，SSE指令集也终于水落石出。SSE指令集是为提高处理器浮点性能而开发的扩展指令集，
SSE指令集包括了70条指令：
a) 其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、
b) 12条MMX 整数运算增强指令、
c) 8条优化内存中连续数据块传输指令。
理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。

SSE指令与3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow!技术的绝大部分功能，只是实现的方法不同。
SSE兼容MMX指令，它可以通过SIMD和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效地提高浮点运算速度。

3> SSE2指令集
SSE2(Streaming SIMD Extensions 2，Intel官方称为SIMD 流技术扩展2　或　数据流单指令多数据扩展指令集 2)指令集是Intel公司在SSE指令集的基础上发展起来的。相比于SSE，SSE2使用了144个新增指令，扩展了MMX技术和SSE技术，这些指令提高了广大应用程序的运行性能。
随MMX技术引进的SIMD整数指令从64位扩展到了128 位，使SIMD整数类型操作的有效执行率成倍提高。双倍精度浮点SIMD指令允许以 SIMD格式同时执行两个浮点操作，提供双倍精度操作支持有助于加速内容创建、财务、工程和科学应用。
除SSE2指令之外，最初的SSE指令也得到增强，通过支持多种数据类型(例如，双字和四字)的算术运算，支持灵活并且动态范围更广的计算功能。SSE2指令可让软件开发员极其灵活的实施算法，并在运行诸如MPEG-2、MP3、3D图形等之类的软件时增强性能。

Intel是从Willamette核心的Pentium 4开始支持SSE2指令集的，而AMD则是从K8架构的SledgeHammer核心的Opteron开始才支持SSE2指令集的。

4> SE3指令集
SSE3(Streaming SIMD Extensions 3，Intel官方称为SIMD 流技术扩展3　或　数据流单指令多数据扩展指令集3)指令集是Intel公司在SSE2指令集的基础上发展起来的。相比于SSE2，SSE3在SSE2的基础上又增加了13个额外的SIMD指令。
SSE3 中13个新指令的主要目的是改进线程同步和特定应用程序领域，例如媒体和游戏。这些新增指令强化了处理器在浮点转换至整数、复杂算法、视频编码、SIMD浮点寄存器操作以及线程同步等五个方面的表现，最终达到提升多媒体和游戏性能的目的。

Intel是从Prescott核心的Pentium 4开始支持SSE3指令集的，而AMD则是从2005年下半年Troy核心的Opteron开始才支持SSE3的。但是需要注意的是，AMD所支持的SSE3与Intel的SSE3并不完全相同，主要是删除了针对Intel超线程技术优化的部分指令。

5> 3D Now !指令集
由AMD公司提出的3DNow!指令集应该说出现在SSE指令集之前，并被AMD广泛应用于其K6-2 、K6-3以及Athlon（K7）处理器上。3DNow! 指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集。
与Intel公司的MMX技术侧重于整数运算有所不同，3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换 和效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。
因为受到Intel在商业上以及Pentium III成功的影响，软件在支持SSE上比起3DNow!更为普遍。
后来在Athlon上开发了Enhanced 3DNow!。这些AMD标准的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。Enhanced 3DNow! 继续增加至52个指令，包含了一些SSE码，因而在针对SSE做最佳化的软件中能获得更好的效能。

6> SSE与3DNow!
目前最新的Intel CPU可以支持SSE、SSE2、SSE3指令集。
早期的AMD CPU仅支持3DNow!指令集，随着Intel的逐步授权，从Venice核心的Athlon 64开始，AMD的CPU不仅进一步发展了3DNow!指令集，并且可以支持Inel的SSE、SSE2、SSE3指令集。不过目前业界接受比较广泛的还是Intel的SSE系列指令集，AMD的3DNow!指令集应用比较少。

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