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指令集体系结构 ISA,指令集体系结构

时间:2023-05-06 21:12:57 阅读:215388 作者:2519

1. 指令集体系结构(Instruction-Set Architecture, ISA) 1.1 定义

一个处理器支持的指令和指令的字节级编码就是这个处理器的ISA,包括很多个部分:

指令集指令集编码基本数据类型一组编程规范寄存器寻址模式存储体系异常事件处理中断外部I/O

不同的处理器家族,例如Intel IA32、IBM/Freescale PowerPC和ARM,都有不同的ISA。维基百科 - Architecture list

1.2 作用 ISA在编译器编写者(CPU软件)和处理器设计人员(CPU硬件)之间提供了一个抽象层
处理器设计者:依据ISA来设计处理器处理器使用者(如:写编译器的牛*程序员):依据ISA就知道CPU选用的指令集,就知道自己可以使用哪些指令以及遵循哪些规范定义处理器上的软件如何构建,这是ISA的最重要内涵,现代处理器都是支持高级语言编程、操作系统等等特性,ISA要定义出指令集内的指令是如何支撑起C语言里堆栈、过程调用,操作系统里异常、中断,多媒体平台里数字图像处理、3D加速等等。 1.3 TIPS 常见的一个误解的答案:指令集并不存储于CPU中,应该这样说:CPU本身是指令集(结构)的一个实现/实例;一个ISA可能包含多个指令集; 2. ISA与微体系结构

ISA只是描述了CPU应该支持的每条指令是做什么事的,即指令的功能。而微体系结构是描述处理器实际上是怎么实现的。

2.1 微体系结构

微体系结构是计算机体系结构中偏向硬件的部分,它可以理解成数字电路如何实现处理器中的各个功能,通常关心的内容包括,指令的流水线结构,计算单元的电路(加法器等等),存储器的结构(寄存器堆、Cache的结构)等等 ;

一个实例如下:
1. 拿Intel来说,(其ISA是IA-32等)其pentium 4处理器的微体系结构是NetBurst,现代,其Core(酷睿)系列CPU的微体系结构已经经历了好几代:Bloomfield(2008年)、Lynnfield(2009年)、Clarksfield(2009年)、Ar randale(2010年)、Gulftown(2010年)、Sandy Bridge(2011年)、Ivy Bridge(2012年)、Haswell(2013年)、Haswell Devil’s Canyon(2014年)、Broadwell(2015年)、Skylake(2015年)。
2. 拿ARM来说,(其ISA是ARMv7等)其微体系结构是ARM11等从11往后叫cortex系列,其中cortex-A系列有32位的A7、A9、A15,64位的A53、A57。

3. 指令集(Instruction set) 3.1 定义

通常会把CPU的扩展指令集称为”CPU的指令集”(因为基本的,类似加减的指令似乎是必须被CPU所支持的指令)。每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令集。

指令集可分为复杂指令集(CISC:sisk)和精简指令集(RISC:risk)两部分,这部分暂不继续讨论了。

Intel的MMX(Multi Media Extended)、SSE、 SSE2(Streaming-Single instruction multiple data-Extensions 2)、SEE3和AMD的3DNow!等都是CPU的扩展指令集,分别增强了CPU的多媒体、图形图象和Internet等的处理能力。维基百科 - Comparison instruction set

3.2 指令

一条二进制机器指令由:指令码(操作码)+操作数组成。

操作码用来说明:指令的功能和执行的操作;操作数说明:操作所涉及的源和目的数据的位置;
源:立即数(即指令中包含的常亮)、寄存器、存储器、I/O端口等; 一个流程

一个我思考出来的可能的流程是这样:

CPU开发商
一个CPU厂商决定开发一个CPU,他们先要决定/选定一种指令集体系结构,他们当然不想自己开发,好了他们选用ARM的ARMv7;那么该如何实现ARMv7呢?我们还是不去自己设计微体系结构了,还是用ARM公司配套的cortex吧,这样我们就能在硅晶片上做出一个CPU了;(当然中间省去了很多步骤)CPU使用者(开发一个C编译器)
这颗CPU可以运行什么样的指令呢?发现使用CPU使用的是ARMv7,那么就查看ARMv7的文档就好了,这是RISC的一种编译器完成了,它的功能是:将C源代码编译为可以在ARMv7上执行的二进制命令代码,即目标文件此时一个小程序员写了一段简单C程序test.c,我们调用编译器将test.c编译为ARMv7上的可执行文件test.o目标文件中包含了程序怎么开始和结束执行、需要操作的数据、如何与操作系统交互等等。只要运行这个目标程序,CPU就能执行其中的指令了 后续的理解

何为x86 - 20160921记录
Intel 8086是一个Intel于1978年设计的16位微处理器芯片。数据总线16位,CPU20条地址总线-直接寻址1MB存储空间,每个存储空间可以存放一个Byte信息;

20条地址总线:20根线条,每个有0个1两种状态,那么组合起来就有2^20中结果,也就是1048576 bit = 131072 byte = 128KB

来源于8086指令集的一系列处理器,都称为x86处理器。

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