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

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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...

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：

 1 void foo(){
 2     ....
 3 }
 4 
 5 void bar(){
 6     int a,b;
 7     a=233;
 8     foo();
 9     printf("%d\n", a);
10 }

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，等foo()结束后再还原回来。

Memory Addressing

指令可以分为两类：ALU operation 和 Load/Store operation。

• 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。