本節(jié)書(shū)摘來(lái)自異步社區(qū)《操作系統(tǒng)真象還原》一書(shū)中的第0章，第0.25節(jié)，作者：鄭鋼著，更多章節(jié)內(nèi)容可以訪問(wèn)云棲社區(qū)“異步社區(qū)”公眾號(hào)查看

0.25 指令集、體系結(jié)構(gòu)、微架構(gòu)、編程語(yǔ)言

指令集是什么？表面上看它是一套指令的集合。集合的意思顯而易見(jiàn)，那咱們說(shuō)說(shuō)什么是指令。

在計(jì)算機(jī)中，CPU只能識(shí)別0、1這兩個(gè)數(shù)，甚至它都不知道數(shù)是什么，它只知道要么“是”，要么“不是”，恰好用0、1來(lái)表示這兩種狀態(tài)而已。

人發(fā)明的東西逃不出人的思維，所以，先看看我們?nèi)祟?lèi)的語(yǔ)言是怎么回事。

不同的語(yǔ)言對(duì)同一種事物有不同的名字，這個(gè)名字其實(shí)就是代碼。比如說(shuō)人類(lèi)的好朋友：狗，咱們?cè)谥形睦锓Q(chēng)之為狗，但在英文中它被稱(chēng)為dog，雖然用了兩種語(yǔ)言，但其描述的都是這種會(huì)汪汪叫、對(duì)人類(lèi)無(wú)比忠誠(chéng)的動(dòng)物。人是怎樣識(shí)別小狗的呢？識(shí)別信息來(lái)自聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等，這是因?yàn)槿颂焐邆涮幚砺曇艉蛨D像的能力，能夠識(shí)別出各種不同的聲音和顏色不同的圖像。可是計(jì)算機(jī)只能處理0、1這兩個(gè)數(shù)，所以讓計(jì)算機(jī)識(shí)別某個(gè)事物，只有用01這兩個(gè)數(shù)來(lái)定義。也就是說(shuō)，要用0、1來(lái)為各種事物編碼。

為了更好地說(shuō)明指令集，咱們這里不再用現(xiàn)有的語(yǔ)言舉例子，當(dāng)然也不是要自創(chuàng)指令集。下面舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子來(lái)演示指令集的模型。

咱們拿表達(dá)式A=B+C為例。假設(shè)A、B、C都是內(nèi)存變量的值，它們的地址分別是0x3000、0x3004、0x3008。在此用Ra表示寄存器A，Rb表示寄存器B，Rc表示寄存器C。

完成這個(gè)加法的步驟是先將B和C載入到Ra和Rb寄存器中，再將兩個(gè)寄存器的值相加后送入寄存器Ra，之后再將寄存器Ra的值寫(xiě)入到地址為0x3000的內(nèi)存中。

步驟有了，咱們?cè)僭O(shè)計(jì)完成這些步驟的指令。

步驟1：將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)載入到寄存器，咱們假設(shè)它的指令名為load。

步驟2：兩個(gè)寄存器的加法指令，假設(shè)指令名為add。

步驟3：將寄存器中的內(nèi)容存儲(chǔ)到內(nèi)存，假設(shè)指令名為store。

以上指令名都是假設(shè)的，名字可以任意取，因?yàn)镃PU不識(shí)別指令名。指令名是編譯器用來(lái)給人看的，為的是方便人來(lái)編程，CPU它只認(rèn)編碼。目前CPU中的指令，無(wú)論是哪種指令集，都由操作碼和操作數(shù)兩部分組成（有些指令即使指令格式中沒(méi)有列出操作數(shù)，也會(huì)有隱含的操作數(shù)）。咱們也采用這種操作碼+操作數(shù)的思路，分別為這兩部分編碼。

咱們先為操作碼設(shè)計(jì)編碼。

接下來(lái)為操作數(shù)編碼，操作數(shù)一般是立即數(shù)、寄存器、內(nèi)存等，咱們這里主要是為寄存器編碼。

好啦，操作碼和操作數(shù)都有了，其實(shí)指令集已經(jīng)完成了。不過(guò)在一長(zhǎng)串的二進(jìn)制01中，哪些是操作碼，哪些是操作數(shù)呢？這就是指令格式的由來(lái)啦。我們?nèi)藶橐?guī)定個(gè)格式，規(guī)定操作碼和操作數(shù)的大小及位置，然后在CPU硬件電路中寫(xiě)死這些規(guī)則，讓CPU在硬件一級(jí)上識(shí)別這些格式，從而能識(shí)別出操作碼和操作數(shù)。

假設(shè)我們的指令格式最大支持三個(gè)寄存器參數(shù)和一個(gè)立即數(shù)參數(shù)。其中操作碼和各寄存器操作數(shù)各占1字節(jié)，立即數(shù)部分占4字節(jié)。各條指令并不是完全按照此格式填充，不同的指令有不同的參數(shù)，只有操作碼部分是固定的，其他操作數(shù)部分是可選的。當(dāng)CPU在譯碼階段識(shí)別出操作碼后，CPU自然知道該指令需要什么樣的操作數(shù)，這是寫(xiě)死在硬件電路中的，所以不同的指令其機(jī)器碼長(zhǎng)度很可能不一致。

為了演示指令集模型，我們?cè)谏厦婕僭O(shè)了寄存器名、指令名、格式。按理說(shuō)這對(duì)于指令集來(lái)說(shuō)已經(jīng)全了，不過(guò)，為方便咱們了解編譯器，不如咱們?cè)偌僭O(shè)個(gè)指令的語(yǔ)法吧，咱們這里學(xué)習(xí)Intel的語(yǔ)法格式：“指令目的操作數(shù)，源操作數(shù)”。目的操作數(shù)在左，源操作數(shù)在右，此賦值順序比較直觀。Intel想表達(dá)的是 a=b這種語(yǔ)序，如a=b，便是mov a，b。

以上三個(gè)步驟的機(jī)器碼按照十六進(jìn)制表示為：

以上自定義的指令便是按照咱們假設(shè)的語(yǔ)法來(lái)生成的。對(duì)于機(jī)器碼的大小，由于指令不同，需要的操作數(shù)也不同，所以機(jī)器碼大小也不同。另外，機(jī)器碼中的立即數(shù)是按照x86架構(gòu)的小端字節(jié)序?qū)懙?#xff0c;這一點(diǎn)大家要注意。小端字節(jié)序是數(shù)值中的低位在低地址，高位在高地址，數(shù)位以字節(jié)為單位。前面有一小節(jié)說(shuō)明大小端字節(jié)序問(wèn)題。

步驟2的機(jī)器碼為01 00 01 10。操作碼占1字節(jié)，CPU識(shí)別出第1字節(jié)的二進(jìn)制01是add指令，知道此指令的操作數(shù)是3個(gè)寄存器，并且第1個(gè)寄存器操作數(shù)是目的寄存器，另外兩個(gè)寄存器是源操作數(shù)（這都是我們假定的，并且是寫(xiě)死在硬件中的規(guī)則，不同的指令有不同的規(guī)則，您也可以創(chuàng)造出內(nèi)存和寄存器混合作為操作數(shù)的加法指令）。于是到第2字節(jié)去讀取寄存器編碼，發(fā)現(xiàn)其值為二進(jìn)制00，就是寄存器Ra對(duì)應(yīng)的編碼。接著到下一個(gè)字節(jié)處繼續(xù)讀出寄存器編碼，發(fā)現(xiàn)是二進(jìn)制01，也就是寄存器Rb，Rc同理。于是將寄存器Rb和Rc的值相加后存入到寄存器Ra。

步驟3中，機(jī)器碼為10 00 0c300000，CPU讀取機(jī)器碼的第1 字節(jié)發(fā)現(xiàn)其為二進(jìn)制10，知道其為指令store，于是便確定了，目的操作數(shù)是個(gè)立即數(shù)形式的內(nèi)存地址，源操作數(shù)是個(gè)寄存器。接著到指令格式中的寄存器操作數(shù)1的位置去讀取寄存器編碼，發(fā)現(xiàn)其值為00，這就是寄存器Ra的編碼。機(jī)器碼中剩下的部分便作為立即數(shù)，這樣便將寄存器Ra的值寫(xiě)入到內(nèi)存0x0000300c中了。

以上指令集的模型，確實(shí)太過(guò)于簡(jiǎn)單了，也許稱(chēng)之為模型都非常勉強(qiáng)。現(xiàn)實(shí)中的指令格式要遠(yuǎn)遠(yuǎn)復(fù)雜得多。下面我們看看目前世面上的指令集有哪些。

最早的指令集是CISC（Complex Instruction Set Computer），意為復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)。從名字上看，這套指令集相當(dāng)復(fù)雜，當(dāng)初這套指令集問(wèn)世的時(shí)候，它的研發(fā)者們都沒(méi)想過(guò)要給它起名，只是因?yàn)楹髞?lái)出現(xiàn)了相對(duì)精簡(jiǎn)高效的指令集，所以人們?yōu)榱思右詤^(qū)分，才將最初的這套相對(duì)復(fù)雜的指令集命名為CISC，而后來(lái)精簡(jiǎn)高效的指令集稱(chēng)為RISC（Reduced Instruction Set Computer）。

CISC和RISC并不是具體的指令集，而是兩種不同的指令體系，相當(dāng)于指令集中的門(mén)派，是指令的設(shè)計(jì)思想。舉個(gè)例子，就像中醫(yī)與西醫(yī)，中醫(yī)講究從整體上調(diào)理身體，西醫(yī)則更多的是偏向局部。這就是兩種不同的醫(yī)療思路，類(lèi)似于CISC和RISC這兩種指令體系。那什么是指令集呢？拿中醫(yī)舉例，像華佗、張仲景這兩位醫(yī)圣，他們雖然都是基于中醫(yī)的思想治病，但醫(yī)術(shù)各有特色，水平也不盡相同，這就相當(dāng)于不同的指令集。一會(huì)兒咱們會(huì)介紹具體的指令集。

為什么說(shuō)CISC復(fù)雜呢？

首先，因?yàn)樗亲钤绲闹噶罴?#xff0c;當(dāng)初都是摸著石頭過(guò)河，肯定有一些瑕疵在里面。其次，當(dāng)初的程序員都是用匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序，他們當(dāng)然希望匯編語(yǔ)言強(qiáng)大啦，盡量多一些指令，盡量一個(gè)指令能多干幾件事，所以指令集中的指令越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜。不過(guò)這樣的好處是程序員同學(xué)很爽。最后，CISC是Intel使用的指令集，Intel公司在兼容性方面做得最好，指令集在發(fā)展的過(guò)程中，還要兼容過(guò)去有瑕疵的古董，以至于最后的指令集變得有點(diǎn)“奇形怪狀”了。

作為后起之秀的RISC，借鑒了前輩CISC的經(jīng)驗(yàn)，取其精華，棄其糟粕，當(dāng)然要更好更輕量啦。它是怎么來(lái)的呢？

CISC不是做得很全很強(qiáng)嗎，可是很多時(shí)候，程序員并不會(huì)用到那些復(fù)雜的指令和尋址方式，即使用到了，編譯器有時(shí)候?yàn)榱藘?yōu)化，未必“全”將其編譯為復(fù)雜的形式。這就導(dǎo)致了CPU中的復(fù)雜的指令和尋址方式無(wú)用武之地。根據(jù)二八定律，指令集中20%的簡(jiǎn)單指令占了程序的80%，而指令集中80%的復(fù)雜指令占了程序的20%。根據(jù)這個(gè)特性，處理器及指令集被重新設(shè)計(jì)，保留了那些基本常用的指令，減少了硬件電路的復(fù)雜性。這樣，大部分指令都能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，更有利于提升流水線的效率。而且，指令采用了定長(zhǎng)編碼，這樣譯碼工作更容易了。由于其太優(yōu)秀了，后來(lái)的處理器，如MIPS，ARM，Power都采用RISC指令體系，做得最好的就是MIPS處理器，它嚴(yán)格遵守RISC思想，業(yè)界公認(rèn)其優(yōu)雅。

我們常用的CPU是Intel和AMD公司的產(chǎn)品，它們用的指令集便是基于CISC思想的x86。AMD的x86指令架構(gòu)是Intel授權(quán)給他們的，為區(qū)別于此，Intel在官方手冊(cè)上稱(chēng)自己的指令集為IA32。

雖然AMD采用的也是x86指令集，但I(xiàn)ntel可沒(méi)把硬件實(shí)現(xiàn)方法也告訴AMD，否則AMD的CPU和Intel的CPU不就完全一樣了嗎，人家Intel也不肯呢。指令集是一套約定，里面規(guī)定的是有哪些指令、指令的二進(jìn)制編碼、指令格式等，如何實(shí)現(xiàn)這套約定，這是硬件自己的事。打個(gè)比方，這就像和朋友約好了在某餐廳吃飯，咱是坐車(chē)去，還是走著去，這是咱們的事，與吃飯是無(wú)關(guān)的。說(shuō)白了，在Intel的CPU上運(yùn)行的軟件也能夠在AMD的CPU上運(yùn)行，原因就是它們共用了同用一套指令集，也就是對(duì)二進(jìn)制編碼達(dá)成了共識(shí)。它們面對(duì)相同的需求，可能采取了不同的行動(dòng)，但都完成了任務(wù)。比如機(jī)器碼是b80000，Intel的CPU經(jīng)過(guò)譯碼，知道這是將0賦值給寄存器ax，相當(dāng)于匯編語(yǔ)言mov ax，0。AMD的CPU在譯碼時(shí)，也得將此機(jī)器碼認(rèn)為是將0賦值給寄存器ax。至于它們?cè)谖锢砩鲜窃趺磳?傳入寄存器ax中的，這是它們各自實(shí)現(xiàn)的方式，與指令集無(wú)關(guān)。它們各自實(shí)現(xiàn)的方式，就叫微架構(gòu)。

總結(jié)一下，指令集是具體的一套指令編碼，微架構(gòu)是指令集的物理實(shí)現(xiàn)方式。

發(fā)展到后來(lái)，x86指令集越來(lái)越復(fù)雜。它本屬于CISC體系，但由于效率低下，最終在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)上采取了RISC內(nèi)核，即一條CISC指令在譯碼時(shí)，分解成多條RISC指令，這樣其執(zhí)行效率便可與RISC媲美啦。

目前市面上常見(jiàn)的指令集有五種，除x86是CISC指令體系外，ARM、MIPS、Power、C6000都是RISC指令體系的指令集。

CPU與指令集是對(duì)應(yīng)的，一種CPU只能識(shí)別一種指令集，所以很多CPU都以其支持的指令集來(lái)稱(chēng)呼。比如ARM、MIPS，它們本身是CPU名稱(chēng)，又是指令集名稱(chēng)。

ARM主要用在手機(jī)中，作為手機(jī)的處理器。Power是IBM用于服務(wù)器上的處理器。C6000是數(shù)字信號(hào)處理器，廣泛用于視頻處理。而MIPS雖然本身很優(yōu)秀，但其在各領(lǐng)域起步都較晚，并沒(méi)有廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域。

由于MIPS本身的優(yōu)越性，龍芯用的就是mips指令集，有沒(méi)有人問(wèn)，為什么咱們自主研發(fā)的CPU還要用人家國(guó)外的指令集？就不能也研發(fā)出一套指令集嗎？能倒是能，不過(guò)語(yǔ)言不通用。就像我自己可以發(fā)明一門(mén)語(yǔ)言，語(yǔ)言本身沒(méi)什么問(wèn)題，問(wèn)題是我用自己發(fā)明的語(yǔ)言和別人交流，誰(shuí)聽(tīng)得懂呢，誰(shuí)又愿意去學(xué)這門(mén)語(yǔ)言呢？大家都很忙，不通用的東西沒(méi)人愿意花精力去學(xué)。如果龍芯也自立門(mén)戶(hù)創(chuàng)造新的指令集，那有誰(shuí)愿意給它寫(xiě)編譯器呢？即使有了編譯器，操作系統(tǒng)也要重新編譯發(fā)布，應(yīng)用程序也要重新編譯發(fā)布，指令集背后不僅是個(gè)計(jì)算機(jī)生態(tài)鏈，更重要的是全球經(jīng)濟(jì)鏈。

平時(shí)所說(shuō)的編程語(yǔ)言，雖然其上層表現(xiàn)各異，歸根結(jié)底是要在具體的CPU上運(yùn)行的，所以必須由編譯器按照該CPU的指令集，翻譯成符合該CPU的指令。說(shuō)到這，不得不說(shuō)一下交叉編譯，本質(zhì)上交叉編譯就是用在A平臺(tái)上運(yùn)行的編譯器，編譯出符合B平臺(tái)CPU指令集的程序，編譯出的程序直接能在B平臺(tái)上運(yùn)行啦。這里的平臺(tái)指的就是CPU指令體系結(jié)構(gòu)。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《操作系统真象还原》——0.25 指令集、体系结构、微架构、编程语言的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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