计算机系统结构总结_Instruction Set Architecture

Textbook:
《计算机组成与设计——硬件/软件接口》  　　HI
《计算机体系结构——量化研究方法》       　   QR

---

这节我们来看CPU内部的一些东西。

Instruction Set Architecture

指令集是介于硬件（CPU microarchitecture / IO / ....）和软件（compiler / OS / ....）之间的一个interface。硬件（486-586-PentiumPro）和软件（Win98-WinXP）都会更新换代，但指令集很少变化（比如x86）。现在比较流行的是General-purpose register architecture，这也是我们重点学习的。早期还有stack architecture和accumulator architecture，不过已经不流行了...

Java VM：HI P89

Register

寄存器是在cpu内部的存储单元，访问简单，速度也非常快。

和前面说的cache不同，寄存器是对软件可见的（explictly managed）。比如下面的一段程序：

void foo(){
    ....
}

void bar(){
    int a,b;
    a=233;
    foo();
    printf("%d
", a);
}

foo()和bar()都可能会用满所有的寄存器。那么在Line 8调用foo()之前，编译器就要手动把bar()当前运行时寄存器的值备份一下（存到stack），等foo()结束后再还原回来。

Memory Addressing

指令可以分为以下几类：

• Load/Store就是在内存和寄存器之间搬运数据......
• ALU operation是用来计算的。它操作数据的主要来源是寄存器
  • 在RISC中，ALU inst只能从寄存器中读写，不能读内存地址。而在x86中一条指令最多可以读写1个内存地址

那么指令是如何进行memory addressing呢？要考虑如下几个问题：

1. Bytes addressed。即每个地址包含多少个byte。大多数情况下是一次读一个byte（参考这张图）。也有些奇怪的机器是一次读一个word（多个bytes）
2. Little/Big Endian
3. Alignment。比如4bytes alignment表示每个数据的起始地址必须是4 bytes的倍数。

Addressing Mode：（PPT P6）

Control Flow Instructions

分支指令

几种常见的ISA

CISC：硬件资源少，人类手些汇编的硬核年代......指令集比较复杂，并且提供一些复杂指令，以便让program的汇编代码量尽量小

RISC：此时硬件资源已经多了，编译器技术也好一些了。因此需要只包括更简单的指令（fixed length，涉及更少的hardware control），以便支持instruction-level parallelism。这样即使需要的指令多了，但总体来看还是快不少。load-store architecture

但其实现在CISC和RISC差距已经没有很大了......像CISC的x86指令集，也加入了很多RISC的特性。比如用RISC Engine来执行microcode（动态解码后的CSIC指令）

RISC pipeline

PPT P14-

我们以Alpha为例来看看一个RISC ISA是怎样设计的吧。

指令种类：可以分为RR、RI、Load/Store、Branch、Jump五种（PPT P14-P16）

为了执行这些指令，我们定义了一个五级的流水线：

• IF：Fetch 32bit instructions，并送到instruction memory
• ID：Decode Instruction（通过电路...），然后送到对应的component
• EX：进行计算
• MEM：（有可能）涉及到访问内存
• WB：将结果写回寄存器（Reg Array）

我们分别看看这五种指令各自是如何执行的：

PPT P19-24

......