第 2 章 指令系统 计算机体系结构基础

指令系统的设计应遵循如下基本原则：

  • 兼容性。这是指令系统的关键特性。最好能在较长时间内保持指令系统不变并保持向前兼容，例如X86指令系统，虽然背了很多历史包袱，要支持过时的指令，但其兼容性使得Intel在市场上获得了巨大的成功。很多其他指令系统进行过结构上的革命，导致新处理器与旧有软件无法兼容，反而造成了用户群体的流失。因此，保持指令系统的兼容性非常重要。
  • 通用性。为了适应各种应用需求，如网络应用、科学计算、视频解码、商业应用等，通用CPU指令系统的功能必须完备。而针对特定应用的专用处理器则不需要强调通用性。指令系统的设计还应满足操作系统管理的需求并方便编译器和程序员的使用。
  • 高效性。指令系统还要便于CPU硬件的设计和优化。对同一指令系统，不同的微结构实现可以得到不同的性能，既可以使用先进、复杂的技术得到较高的性能，也可以用成熟、简单的技术得到一般的性能。
  • 安全性。当今计算机系统的安全性非常重要，指令系统的设计应当为各种安全性提供支持，如提供保护模式等。

RISC指令系统的最本质特征是通过load/store结构简化了指令间关系，即所有运算指令都是对寄存器运算，所有访存都通过专用的访存指令（load/store）进行。这样，CPU只要通过寄存器号的比较就能判断运算指令之间以及运算指令和访存指令之间有没有数据相关性，而较复杂的访存指令相关判断（需要对访存的物理地址进行比较）则只在执行load/store指令的访存部件上进行，从而大大简化了指令间相关性判断的复杂度，有利于CPU采用指令流水线、多发射、乱序执行等提高性能。因此，RISC不仅是一种指令系统类型，同时也是一种提高CPU性能的技术。

RISC、CISC、VLIW指令编码特点

图 2.2: RISC、CISC、VLIW指令编码特点

图2.2直观地给出了RISC、CISC、VLIW三种结构的指令编码。MIPS三种类型的指令内部位域分配不同，但总长度均为32位；X86则不同指令的长度都可能不同；IA-64则将三条41位定长指令合并为一条128位的“束”。