指令系统

一、指令系统基础概念

1. 计算机层级结构

   • 6级模型：应用语言机器 → 高级语言机器 → 汇编语言机器 → 操作系统机器 → 传统机器语言机器 → 微程序机器。
   • 设计起点：从中间（软硬件交界面）开始设计，ISA是软硬件交互的核心。

2. 指令集体系结构（ISA）

   • 定义：硬件与软件的接口规范，包括指令集、指令格式、寻址方式、数据类型等。
   • 核心要素：
     • 指令集：操作集合（操作码+操作数+结果）及错误处理（如溢出）。
     • 指令格式：变长指令（灵活但译码复杂） vs 定长指令（译码简单，RISC常用）。
   • 与微架构（μArch）区别：
     • ISA是规范（软件可见），μArch是硬件实现（如流水线、Cache，软件不可见）。
     • 关键说明：Page 6指出"Cache是否属于Architecture"存疑（实际属于μArch）。

3. 指令与微架构

   • 指令：信息处理的原子单位，改变机器状态（如寄存器、内存值）。
   • 微架构：根据指令改变处理器状态（如执行ADD后更新寄存器）。

二、指令系统演化

• 历史阶段：
  累加器（EDSAC）→ 累加器+索引寄存器 → GPR通用寄存器 → CISC复杂指令集（VAX）→ RISC精简指令集（MIPS/SPARC/RISC-V）。
• 关键转折：RISC因CISC指令利用率低（20%指令占80%运行时间）兴起。

三、寻址技术

1. 编址方式

   • 编址单位：字节编址（主流）、字编址、位编址、块编址。
   • 字节编址问题（Page 10）：
     • 地址浪费（32位机浪费2位）、存储空间浪费、大端/小端问题。
   • 大小端（Endianness）：
     • 大端（Big Endian）：高位字节存低地址（如SPARC）。
     • 小端（Little Endian）：低位字节存低地址（如x86）。
     • 影响：数据存储（如0x12345678在内存的排列）、文件格式（JPEG大端/BMP小端）、网络通信（需统一为网络字节序NBO）。
   • 零地址空间：
     • 3个空间（寄存器/主存/I/O独立编址）→ 2个空间（主存与I/O统一编址）→ 1个空间（寄存器/I/O/主存连续编址）。
   • I/O设备编址：
     • 内存映射I/O（现代主流） vs 专用I/O指令（历史方案）。

2. 定位方式

   • 静态定位：程序装入时确定物理地址。
   • 动态定位：执行时按需确定地址（支持虚存）。
   • 关键区别：动态定位支持运行时地址重定位（如页表机制）。

3. 寻址方式

   • 七种基本类型：

     寻址方式	示例
     立即数	ADD R1, #5
     直接寻址	LOAD R1, [0x100]
     寄存器间接	LOAD R1, [R2]
     寄存器相对	LOAD R1, [R2+4]
     基址变址	LOAD R1, [R2+R3]
     相对基址变址	LOAD R1, [R2+R3+8]

   • 编码方法：
     • 操作码隐含寻址方式（适合Load-Store结构）。
     • 专用寻址字段（灵活但增加指令长度）。

四、指令优化设计

1. 操作码优化

   • 哈夫曼编码：高频指令用短码，低频用长码（最小化平均码长）。
     • 公式：信息熵 $H = -\sum p_i \log_2 p_i$（理论最短平均码长）。
   • 扩展操作码：定长与哈夫曼的折中（如2-4扩展：高频指令2位，低频用4位）。
   • 等长扩展码：如15/15/15法（便于分级译码）。
   • 定长操作码：RISC采用（牺牲空间换译码速度）。

2. 指令字格式优化

   • 可变地址字段：高频指令支持更多操作数（如ADD R1,R2,R3）。
   • 三种编码格式：

     类型	特点	适用场景
     可变长	操作码+地址描述符+地址码	CISC（操作类型多）
     固定长	统一操作码字段	RISC（译码简单）
     混合型	多长度指令并存	平衡密度与复杂度

五、CISC vs RISC发展

1. CISC方向

   • 目标：增强指令功能（面向目标程序/高级语言/操作系统）。
   • 方法：
     • 用硬件加速高频指令（如循环控制指令替代3条指令）。
     • 缩小高级语言与机器语言的语义差距（如MAC乘加指令）。
   • 问题：指令利用率低（20%指令占80%时间）。

2. RISC方向

   • 设计原则：
     • 精简指令（仅高频指令），Load-Store结构（仅Load/Store访存）。
     • 定长指令+流水线+硬连线控制。
   • 实例：
     • RISC I（31条指令，性能超CISC 3-4倍）。
     • RISC-V（开源模块化设计，支持RV32I/RV64I等）。

六、数据类型与操作

1. 数据类型表示

   • 原则：缩短运行时间、减少CPU-内存通信量。
   • 操作数类型指定：
     • 操作码指定（常见，如MIPS分整数/浮点指令）。
     • 标志符（硬件解释类型，少用因动态开销大）。
   • 操作数大小：

     类型	大小	表示方式
     整数	8/16/32/64位	补码
     浮点数	32位（单）/64位（双）	IEEE 754
     十进制	压缩BCD（4位/数字）	非压缩（字符串）

2. 数据操作指令

   • 四类指令：
     • 数据传送（LOAD/STORE）。
     • 算术运算（定点/浮点加减乘除）。
     • 逻辑运算（与/或/移位）。
     • 程序控制（分支/跳转/调用）。

七、RISC-V实例分析

1. 设计理念：开源、简洁、模块化（RV32I+扩展）。
2. 指令集结构：
   • 基础指令集：RV32I（32位）、RV64I（64位）。
   • 扩展指令集：M（乘除）、A（原子操作）、F/D（浮点）、C（压缩指令）。
3. 设计准：
   • 完备性：指令足够编写任何程序。
   • 规则性：对称性（所有寄存器平等）、均匀性（操作支持所有数据类型）。
   • 有效性：高执行效率（如正交编码）。
   • 兼容性：向上兼容（旧程序在新硬件运行）。
4. 代码密度：
   • RISC-V（RV32GC）代码密度优于ARM/MIPS/x86（同功能程序字节数更少）。

八、指令序列对功耗的影响

1. 功耗因素：
   • 复杂指令 > 简单指令（如乘除 > 加减）。
   • 内存访问 > 寄存器操作（因总线活动）。
   • SIMD/浮点指令产热更高。
2. 电压与温度：
   • 功耗剧变导致电压波动（DVFS技术调节）。
   • 多核/高负载指令 → 温度升高（局部热点）。