命令セットアーキテクチャISA-CA

命令セット

定義

命令は、コンピュータ機能（だけでなく、命令エンコーディング機能上の）抽象モデルである
>、すべてのソフトウェアは、最終的にコマンドとして実行され、ハードウェアとソフトウェアのインタフェースである
>の深い理解のアプリケーションの設計者の構造を反映
>コマンドシステムを多くの実装（低消費電力、高性能、ソフトウェアシミュレーションが...）があります

効果

（ネクサス）はインタラクティブインタフェースハードウェアとソフトウェアであります

重要性

コンピュータ業界のハブは、産業エコロジーの基礎
①コマンドシステムが重要な標準的なコンピュータのハードウェアとソフトウェアである：
-アプリケーションのバイナリ互換性の決定は、（ウィンテルとAAはそれを行っている）
-バイナリ互換性のあるオペレーティングシステムである（ウィンテルは、AAはやらなかったん）重要な因子である
②命令、システムのパフォーマンスと実装の複雑さとに影響を与えるように：
- RISC / CISC、32ビット/ 64ビットのメディア命令、ベクトル命令等
-ミクロ構造のシステムの複雑さに大きな影響

国際主流命令

（1）三大コマンド体系：X86、ARM、MIPS
- X86：錠剤の数百万人の毎年何百、PCおよびサーバ市場の独占は、いくつかのARMの脅威の対象が、デスクトップの独占は、Atomで停止するARM振ることは困難である、とが、高浸透
- ARM：50-100億年間、独占的地位にある携帯電話市場では、デジタルテレビ、セットトップボックスや他の市場の浸食MIPSの成功、クラウドサーバーとX86の競争しようとする分野で
- MIPS：5-10億年間、など、プリンタ、ネットワーク、などの伝統的な市場では、いくつかの力がまだあります

（2）その他の命令
-PowerPCは：カーエレクトロニクス、産業用制御、サーバースペースだけでなく、チャンスで
-Alpha、PA-RISC、SPARC、 IA64 主流の市場機会はないです
-RISC-V（命令のオープンセット）：私は、CPUのLinuxになりたい道路抵抗と長い、巨人はローエンドを駆動組んMCU

開発

（1）歴史的発展
広い8ビット、16ビット、32ビット、64ビット定数開発から-x86
-メディアに小数点命令を浮動のみ固定の機能のサポートは、ベクトル命令に
-ベクトル命令MMXを経験しています、 SSE、SSE2、SSE3、SSE4、 AVX 、等
（2）は、新しい命令の開発を必要とする
データ通信の整合性を高めるためにマルチコア同期要求コマンドの複数のコアを支持-
-特別なベクトル命令を追加するメンバベクトル命令必要
-メディアクラスメディアコーデックのサポートのための特別なアプリケーション要件を追加するための命令
-クラウドコンピューティング命令を仮想マシンの増加のサポートを必要とするなど

独立したハードウェアに依存しない命令ニーズ

（1）状況
①外国独占企業は、主にさまざまなインターフェイスのタイプを含む、命令セットを含め、知的財産権に厳しい障壁を設定
②チャンスをつかむために、現在のIT産業は多極発展にユニポーラから移動しています。現在、効果を促進するための独立したハードウェアおよびソフトウェアは明白ですが、私たちの強さが弱すぎる、ハードウェアとソフトウェアで、あなたはすぐに統一され、自己の命令による相乗効果を作成することができます

（2）自己指示システム開発への実行可能な経路
①最初のポスト独立互換
-自己啓発に基づいてフォーリン・コマンドとの互換性（MIPS、RISC、等）、
「制御」、右： -自己膨張および自己再承認
- 「ピア「右：拡大と逆引き交渉
②最初の独立したリアの互換性を
-バイナリ変換モードを通じて、主流のソフトウェアのコマンドシステムを実行
、などのTransmetaなどをIA64 IA32の手順で実行している-
X86-ARMを実行するために、Androidベースのスマートフォンの-Intel打ち上げにアプリケーション
③両方の組み合わせ
-例えばARMのもの基づくMIPS / RISC5、及び適合性ひいてはX86

（3）命令概略

命令のデザイン

コンピュータシステムにおける位置指令

①ハードウェアおよびソフトウェアインターフェース、
②コンピュータシステムの設計者の知識の構造を反映しています。

設計の原則

-兼容性：对软件的包容性，长时间保持不变，如X86
-通用性：对软件的易用性，编译器和程序员觉得好用
-高效性：对硬件的易用性，便于CPU设计优化和不同性能的实现
-安全性：对软硬件安全的支持，支持通用操作系统，考虑不同的安全要求

影响指令系统设计的因素：

（1）工艺技术
①. 早期的硬件昂贵，指令系统设计主要考虑如何减少硬件；
②. 集成度的提高（TLB、从32位到64位、SIMD媒体运算）；
③. 现在如何发挥存储层次的效率，如何利用芯片面积；
-CPU与存储器的速度差距，指令系统应能较好地利用存储层次，如通过并行或流水容忍延迟（Cache管理指令、预取指令）
-工艺进一步发展，主频极限和功耗问题引起的多核结构需要特殊指令支持（多线程管理和同步）

（2）系统结构
-指令系统本身是系统结构发展的结果，如：从16位、到32位、到64位；SIMD指令、从单核到多核等
-指令系统的兼容性要求与系统结构发展的矛盾关系：
尽量不改变指令系统的前提下提高性能，如流水、多发射等
尽量保持兼容，如Intel的做法
-增加指令功能还是提高主频？（RISC vs. CISC vs. VLIW）
-并行性： SIMD、向量、多发射（兼容性好）

（3）操作系统
-操作系统专用的核心态指令和运行环境；
-多进程支持、虚空间：（页表与TLB的关系；页保护：读写权限）
-系统安全等级：（核心态和用户态管理）
-异常和中断处理（异常处理入口、ERET指令等）
-访存和访问I/O的区别；
-虚拟机：（支持多操作系统的快速切换）

（4）编译技术与程序设计语言
-指令是编译器的工作结果
早期的指令系统主要考虑如何便于编程
后期（如RISC）兼顾便于编程和实现效率
-指令功能
只有简单指令，甚至乘法都由加法和移位来实现
具有复杂指令，如除法、开方
更复杂的函数由库函数实现（如C库）
-寄存器和存储器分配
堆栈存放局部变量，全局数据区存放静态数据，堆存放动态数据
为有效使用图着色启发式算法，至少需要16个通用寄存器
-简单规整，提高编译效率
正交性，如所有访存指令都可用所有寻址方式
简化编译器取舍，如允许编译时确定常量，只提供基本的通用操作等

（5）应用程序
-应用适应性（指令归根结底为应用设计）；
-兼容性：更新计算机时，兼容老的应用；

指令系统的演变

指令系统分类：

-RISC技术有利于指令流水线的高效实现（X86处理器内部也把CISC翻译成简单操作来优化流水线）；
-VLIW技术用于指令流水线优化不是很成功

（1）复杂指令系统（Complex Instruction Set Computer，简称CISC）
其指令长度可变（x86: 1~15字节）

①. 早期的CPU都采用CISC结构：昂贵的软硬件系统要求兼容性，计算机应用的发展要求新增指令；
②. 像Intel，曾经的辉煌也导致历史包袱（需要对过去指令可能已经淘汰不用的指令提供兼容性）太重，指令集的臃肿导致实现复杂，降低了常用指令的执行效率
③. 程序中80%的指令只占指令集的20%，人们开始意识到：简单指令有利于高效实现，例如：X86指令通过内部译码后的微操作类似于RISC

（2）精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，简称RISC）
求掉包袱，轻装上阵：其指令长度比较固定

-核心思想：简化
简化指令功能：执行时间短
简化指令编码：译码简单
简化访存类型：访存和运算分开
-运用：Power、MIPS、ARM、SPARC、Alpha……
-现代指令系统对CISC和RISC的融合：
核心流水线采用RISC
包含复杂功能的宏指令

（3）超长指令字（Very Long Instruction Word，简称VLIW）
本质上是多条同时执行的指令的组合，其“同时执行”的特征由编译器指定，无需硬件进行判断

-它是指令集并行ILP的极端：
-运用：应用在早期的GPU中，GPGPU发展后遭弃用（AMD转向了SIMT的GCN架构）
TRACE、Itanium（IA-64）

指令系统演变-系统管理

（满足现代操作系统的发展需求）

（1）存储管理上

• 连续实地址：各程序数据连续存放，显式保证不冲突
• 段式：分为多个段，通过相对段的偏移来访问
• 页式：将虚地址和实地址的对应关系组织为页表（TLB）
• 段页式：融合段式和页式

（2）运行级别的演变

• 唯一实模式：无管理
• 保护模式：权限管理，核心态和用户态（kernel/user）
• 调试模式：调试支持，ARM JTAG、MIPS EJTAG
• 客户模式：虚拟机支持，host/guest

MIPS32存储空间分段/页情况

运行级别的演变 - MIPS

指令系统的组成

组成元素：

指令主、谓、宾：CPU、操作、操作数

操作数的存储（地址空间）

（1）地址空间的组成

• 寄存器空间: 整数通用寄存器、浮点通用寄存器、协处理器寄存器
• 系统内存空间: 内存空间、IO空间
  访问方式：
• 寄存器:在指令中以寄存器号引用
• 系统内存:访存指令

（2）地址空间的演变
①堆栈型（Stack）：零地址指令
-两操作数在栈顶，运算操作不用指定操作数，结果写回栈顶。
②累加器型（Accumulator）：单地址指令
-一个操作数由指令指定，一个操作数总在累加器中，结果也写回累加器
③寄存器型（Register）：多地址指令
-Register-Register型、Register-Memory型、Memory-Memory型
不同类型指令功能举例：不同指令在指令系统完成C=A+B的指令序列（假设ABC在内存的不同单元中）

（3）指令系统类型的发展
①早期的计算机多用堆栈和累加器型指令
• 出于降低硬件复杂度的考虑
• 现在已经不用（Intel有点例外），JAVA字节码使用堆栈结构
②1980年代后的机器主要是寄存器型
• 访问寄存器比访问存储器快,便于编译器使用和优化
• 寄存器可以用来存放变量，减少访存次数
• 寄存器间的相关容易判断，易于实现流水线、多发射、乱序执行等
• X86通过把复杂指令翻译成类似于RISC的内部操作并使用RISC指令流水线技术提高性能，X86的向量指令也是寄存器型
③RISC的不断复杂化
• 内存离寄存器越来越远，以寄存器为中心的结构增加了不必要的数据搬运开销（如memcpy）
• 向量指令、超越函数指令、Transacitonal memory等

（4）附
①不同指令系统通用寄存器数量：

②MIPS寄存器空间：

③Linux/MIPS虚拟地址空间安排：
-有关IO空间的划分：
○ X86规定了独立的IO空间，使用专门的in/out指令来访问
○ EoMIPS/ARM不区分IO空间和内存空间，使用同样的访存指令

操作数的表示

（1）数据类型
- 整数、实数、字符、十进制数
- 字节、半字、字、双字
- IEEE 754格式

（2）类型的表示
- 一般由操作码来区分不同类型
- 专门的类型标志

（3）数据类型的分布

（4）访存对象
1）存储器按字节编址：
-所有地址都是字节地址
-访问长度：字节、半字、字、双字
2）访存地址是否对齐（ Aligned vs. Misaligned ）：


-地址对齐简化硬件设计：如字地址最低两位为0 -跨数据通路边界的访问可能需要访问两次RAM
-如何支持不对齐访问（如串操作）
3）大尾端（Big Endian）和小尾端（Little Endian）
-Little Endian地址指向一个字的最右字节
-Big Endian 反之

（5）寻址方式

• 访存方式：三个程序在VAX机上的统计
  -寄存器访问占一半，存储器访问占一半，简单寻址方式占存储器访问的的97%；
• 偏移量分布：PEC CPU2000在Alpha结构（最大偏移为16位）上的统计：
  -小偏移和大偏移较多，大偏移（14位以上）多数为负数；
  -跟数据在内存中的分布有关；
• 立即数比例：SPEC CPU2000在Alpha结构上的统计
  -ALU操作定点1/4、浮点1/5需要立即数
  -Load操作有近1/4是取立即数（没有真正访存）
  -平均定点1/5、浮点1/6的指令需要立即数
• 立即数值的分布：SPEC CPU2000在Alpha结构上的统计
  -CINT2000中20%、CFP2000中30%的立即数是负的
  -在支持32位立即数的 VAX上统计表明，20%-30%立即数大于16位

综上所述：
①应至少支持以下寻址方式：Register、Immediate、Displacement、Register indirect；
②指令中常数位数：地址偏移量位数12-16位 ，立即数位数8-16位；

指令操作

（1）指令操作

（2）常见指令操作
把简单指令做快点，其他慢一点没关系；

• SPECint92的X86指令统计：
  
• SPEC CPU2000动态指令分布：
  
  （3）转移指令
  1）转移指令类型：条件转移/无条件转移、过程调用/过程返回
  2）转移地址类型：
  相对：PC+偏移量
  绝对：指令中给出转移地址
  间接：根据寄存器内容转移（编译器不知道目标地址），如Switch语句、函数指针、动态链接、过程返回等
  3）特点：
  ①条件转移最多；（根据条件位判断转移，直接比较寄存器内容转移）
  -SPEC CPU2000在Alpha结构上的统计：
  
  ②偏移位数多数是4-8位：（虚拟机生成的代码放得较远，转移指令偏移量大）
  -SPEC CPU2000在Alpha结构上的统计：
  
  ③条件转移的分布：小于、等于、小于或等于比较最多
  -SPEC CPU2000在Alpha结构上的统计：
  

指令编码

（1）需要考虑的因素
①. 操作码部分比较简单
②. 操作数的个数、类型对指令长度影响很大
③. 变长指令程序代码短、定长指令实现简单

（2）编码方法
①. 定长：RISC
②. 变长：VAX的指令1-53字节，其中ADD指令3-19字节，Intel的X86指令1-17字节
③. 混合：IBM 360/370，MIPS16，Thumb，TI TMS320C54x

（3）特点—RISC系统结构
①. 简单操作和简单寻址方式用得最多
-10种简单操作指令占96%
-寄存器, 立即数, 偏移寻址, 寄存器间接寻址四种寻址方式
②. 简单指令便于高效实现和使用
-load-store结构简化硬件设计，提高主频
-定长简化译码
-符合编译器“常用的做得快，少用的只要对”的原则
③. 硬件优化应充分考虑兼容性
-流水、多发射不改变指令系统
-流水、多发射技术在load-store指令系统上容易实现

指令集详细说明

一个“典型”的RISC

• 32位定长指令
• 32个32位通用寄存器
• 三寄存器操作数运算指令
• Load-Store指令，基址+偏移量寻址方式
• 简单转移条件

MIPS指令

（1）MIPS指令格式

（2）MIPS指令类型

RISC

（1）发展过程：现代X86处理器内部的核心也是RISC结构

（2）常见RISC指令系统比较：
①指令格式：

②寻址方式：

③指令功能：

• 所有RISC处理器都有一些公共指令
  -load/store指令
  -算术运算及逻辑指令
  -控制流指令
  -系统管理指令
• 不同处理器在发展过程中形成的特色举例
  -MIPS的非对齐访问
  -SPARC的寄存器窗口
  -PowerPC的Link和Count寄存器
  -HP的Nullification
  -……

（3）具体指令说明
1）Load/Store指令：
-对任何GPR和FPR进行存取操作
-通常R0总是为0
2）ALU指令：
-所有ALU指令都是寄存器型的
-ALU的常见操作有加、减、与、或、异或、移位、比较，乘除法在专门的部件进行
3）控制流指令：
-绝对跳转jump和相对转移branch
4）条件转移的条件判断：

• SPARC v8使用4位条件码(CC)，该条件码在程序状态字中
  • 整数运算指令设置CC，条件转移指令检测CC
  • 浮点运算有另外两位CC
  • v9为了支持64位运算增加了4位整数CC，3位浮点CC
• MIPS直接比较寄存器内容判断是否转移
  • MIPS III浮点部件有一位条件码，记录cmp指令的结果
  • MIPS IV有多位浮点条件码
• PowerPC有4位CC，一个条件寄存器中有8份4位CC
  • 整数和浮点运算各1位，其它用于比较指令。
  • Branch指令需指定根据哪一位进行转移
  • 运算指令中有一位指定该指令是否影响CC
• PA-RISC有多种选择，最常用的是比较两个寄存器的值并根据结果决定是否转移

5）系统管理指令
原子操作指令、存储管理指令、例外管理指令、共享存储同步指令等等

• 原子操作指令—MIPS的LL和SC指令为例：
  
  -LL(Load Linked)取数且置系统中LLbit为1
  -LL为1时，处理器检查相应单元是否被修改，如果其它处理器或设备访问了相应单元或执行了ERET操作，LLbit置为0
  -执行SC（Store Conditional）时若LLbit为1，则成功，目标寄存器为1；否则存数不成功，目标寄存器为0
  

6）MIPS特色－非对齐访存指令LWR和LWL
①作用：边界不对齐的数据传送（小尾端）
②说明：

• lwr:
  -对于大端：从所指位置（地址）向低地址方向取数直至地址对齐，且按从低地址至高地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的低位。
  -对于小端：从所指位置（地址）向高低址方向取数直至地址对齐，且按从高地址至低地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的低位。
• lwl：
  -对于大端：从所指位置（地址）向高地址方向取数直至地址对齐，且按从低地址至高地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的高位。
  -对于小端：从所指位置（地址）向低地址方向取数直至地址对齐，且按从高地址至低地址的顺序将数据排序，将排序好的数据存放在寄存器的高位。

③举例：

如果没有它们,取一个不对齐的字需要10条指令，包括4个load/store并需要一个临时寄存器:

7）SPARC特色－寄存器窗口
①2-32个寄存器窗口，用于不同过程：
-8个全局寄存器用于存放全局变量
-24个局部寄存器：8个输入参数，8个局部变量，8个输出参数
-过程调用和退出不用把现场保留到存储器②SAVE和RESTORE指令：
-SAVE：功能同ADD，源寄存器来自调用过程(caller)，目标寄存器来自被调用过程(callee)，该指令自动修改寄存器窗口指针CWP–
-RESTORE：功能同ADD，源寄存器来自被调用过程(callee)，目标寄存器来自调用过程(caller)，该指令自动修改寄存器窗口指针CWP++
③AMD AM29000的局部寄存器窗口大小可变，全局寄存器64个

8）PowerPC特色－Link和Count寄存器
①寄存器说明：
-Link寄存器用于保存返回地址，实现快速过程调用
-Count寄存器用于循环计数，每次自动递减
②这两个寄存器还可以放转移地址
③ PowerPC其他特色：
-PowerPC不用Delay Slot
-Load和Store指令同时存取多个寄存器（多达32个）
-Load和Store字符串（变长或定长、对齐或不对齐）

9）のPA-RISCの無効化は、
①命令の現在の実行結果に応じて次の命令（分岐命令、および利用可能なすべての演算命令のほとんど）か否かを判断
- ADDB（追加及び分岐）添加の完了後の命令、加算結果としての条件が満たされるかどうかをチェックしますそれは、転送を満たしていない場合。次の命令（遅延スロット）が実行されるのと同じ時間を分析します。
いくつかの単純な分岐命令を排除することができます

、このような条件付きのシフト数「CMOV」など②命令その他の命令;
③以降の技術IA64述語へと進化：述語レジスタ64により演算命令は、判決の結果を保存するかどうか

（4）とPowerPCアルファ比較

と更新ロードとストアとの更新命令は、アレイ操作にアルファプラスレジスタアドレッシングないレジスタを適合-PowerPC、アレイへの各ポインタのポインティングがインクリメントされる;
-アルファに、サイクル数をポインタによって実現され、パワーPCで、そこCTRは、サイクルの保存に専用
-PowerPCのみ2つの浮動小数点命令：乗算-加算および乗算
-Alphaは10の命令つ以上のPowerPC複数必要
-Alpha簡便命令を効率的な実装は、周波数が高く

（5）まとめRISC命令の
プログラムのための4つのRISCアーキテクチャの実行には、命令の共通の4つの命令の平均で90％を超えます。