1 定義

指令集架構（Instruction Set Architecture，ISA）也稱指令集或者指令集體系，是計算機體系結構中與程序設計有關的部分，包含基本數(shù)據(jù)類型，指令集，寄存器，尋址模式，存儲體系，中斷，異常處理以及外部IO。

1.1 指令集架構與微架構

指令集架構與微架構（microarchitecture）不同，微架構指的是一套用于執(zhí)行指令集的微處理器設計方法，使得指令集架構可以在微處理器上被執(zhí)行。

不同微架構的處理器可以共享一種指令集。舉例：例如Intel的Pentium處理器與AMD的AMD Athlon處理器，都是屬于x86的指令集架構，但是兩者在處理器的內(nèi)部設計上存在本質(zhì)區(qū)別。

1.2 指令集架構的分類

復雜指令集計算機（Complex Instruction Set Computer，CISC）：每個指令可執(zhí)行若干低端操作，例如存儲器讀取、存儲、計算操作等，指令數(shù)目多且復雜，每條指令字長不相等。這些特性使得代碼編寫較為簡單，但是復雜的指令需要若干指令周期才可以實現(xiàn)。

精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）：對指令數(shù)目與尋址方式都做了精簡，只保留經(jīng)常使用的指令，因此實現(xiàn)更加容易，指令并行程度較好，編譯器效率較高。但是對于一些特殊操作，需要通過處理器額外的執(zhí)行時間來彌補。其特征包括統(tǒng)一指令編碼、泛用的寄存器，單純的尋址模式等，每條指令的執(zhí)行時間較短。

實際上在后來的發(fā)展中，RISC與CISC在競爭的過程中相互學習，現(xiàn)在的RISC指令集也達到數(shù)百條，運行周期也不再固定。

2 x86相關的架構及其發(fā)展歷史

x86泛指一系列基于Intel 8086且向后兼容的指令集架構。1978年Intel推出了8086處理器（16位微處理器），1985年Intel推出了80386（32位處理器）。由于Intel早期處理器名稱是以數(shù)字來表示80x86，因此這些架構稱之為x86。

x86

通常來說是Intel開發(fā)的32位指令集，這種指令集兼容16位指令，一直沿用至今，屬于CISC指令集。早期Intel生產(chǎn)的CPU與AMD生產(chǎn)的CPU均支持這種指令集，相應地，這些CPU被稱為x86架構（The x86 architecture）Intel官方稱這種指令集架構為IA-32（Intel Architecture, 32-bit）。有時候也會被稱為i386。

當CPU邁向64位時，對于指令集，有2種發(fā)展途徑：

向下兼容x86

重新設計新的指令集，不兼容x86

這分別引出了2種指令集架構：AMD64與IA-64。

AMD64

AMD在Intel之前，選擇了前者——設計了一向下兼容x86的64位指令集，稱之為AMD64，并生產(chǎn)了相應指令集的CPU，市場反映良好。

IA-64

Intel選擇了而后者——設計了一種全新的64位指令集，不兼容x86，稱之為IA-64。但是反響不好，因為是全新設計的指令集，不支持Windows，也沒有相應的編譯器。

安騰（Itanium）處理器是屬于Intel安騰架構的64位處理器，傳聞所謂的安騰架構就是IA-64，不過沒有經(jīng)過Intel官方證實。

x86-64（或者寫成x86_64）

Intel在IA-64反響不好的情況下，決定開始支持AMD64的指令集，稱之為x86-64（或者x86_64），表示這是x86指令集的64位擴展。實際上AMD64與x86-64基本是同一個ISA，現(xiàn)在我們使用購買的Intel或者AMD生產(chǎn)的CPU，都屬于x86-64的ISA。

有時候，x86-64也會被簡稱為x64，也有的公司會使用amd64，實際上所指都是同一ISA，同時指代AMD的AMD64與Intel的x86-64。

x86與x86_64的區(qū)別

x86與x86_64指令集架構最主要的區(qū)別其位數(shù)：

x86是32位的，從寄存器角度來看，設計了8個32位通用寄存器（EAX，EBX，ECX，EDX，EBP，ESP，ESI，EDI）

x86-64是64位的將原先的8個通用寄存器擴展為64位的（RAX，RBX，RCX，RDX，RBP，RSP，RSI，RDI），并且還增加了若干通用寄存器，對于MMX的寄存器位數(shù)與數(shù)量也進行了擴展

小結

x86 = IA-32 = i386；AMD64 = x86-64(x86_64) = x64 ≠ IA-64

對于x86-64體系結構的CPU，都做了兼容32位的特殊處理，在64位的CPU上運行32位的軟件（包括操作系統(tǒng)）都是沒有問題的。

這里有一個例子，例如，我希望安裝Anaconda，從Index of /anaconda/archive/ | 清華大學開源軟件鏡像站 | Tsinghua Open Source Mirror網(wǎng)站上尋找安裝包進行安裝，可以發(fā)現(xiàn)最新版本W(wǎng)indows操作系統(tǒng)下有2個exe格式的安裝包，分別為

一個結尾是x86，另一個結尾是x86_64。

相同點：對于x86_64架構的Intel處理器或者AMD處理器，兩個安裝包都可以成功安裝并運行，因為x86_64是兼容32位的，可以執(zhí)行x86指令集的32位指令，也就可以運行32位的軟件。

不同點：

x86_64安裝包較大，因為是使用64位的x86_64指令集的二進制代碼，容量較大；運行在x86_64架構的處理器上速度較快；

x86安裝包較小，因為是使用32位的x86指令集的二進制代碼，容量較小；運行在x86_64架構的處理器上速度較慢；

再例如，有時候安裝包名稱的后綴是amd64，但是我使用的是x86_64架構的Intel處理器，這種情況下也是可以運行的，因為amd64與x86_64本質(zhì)是同一個指令集。

3 ARM相關指令集體系結構

ARM既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱。

ARM公司的特點

ARM公司通過轉讓高性能、低成本的、低功耗的RISC微處理器、外圍和系統(tǒng)芯片設計技術給合作伙伴，使他們能用這些技術來生產(chǎn)各具特色的芯片。ARM從不制造和銷售具體的處理器芯片，而是把處理器的設計授權給相關的商務合作伙伴，讓他們?nèi)ジ鶕?jù)自己的強項設計具體的芯片，稱之為“知識產(chǎn)權授權”。

ARM架構的特點

ARM指令集架構屬于RISC架構，在其官網(wǎng)文檔中，描述了其特點：

大量、統(tǒng)一的寄存器；

Load/store體系結構，通過寄存器進行操作指令，不能直接作用內(nèi)存；

簡單的尋址模式，所有l(wèi)oad/store方式都通過寄存器內(nèi)容和指令字段；

ARM架構的歷史演變

ARM架構，曾稱進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine）。其架構的版本以數(shù)字命名，一直到現(xiàn)在的ARMv8（目前已經(jīng)有ARMv9），其歷史演變?nèi)缦聢D所示。

每次版本更新都會添加新的特性，從ARMv7開始，其架構開始出現(xiàn)分支，ARM稱之為不同的系列（Architecture profiles），分別命名為

架構	特點	應用
ARMv7-A (Application)	運行復雜應用程序的應用處理，支持大型嵌入式操作系統(tǒng)	Symbian，Linux，Windows Mobile或CE
ARMv7-R (Real-time)	硬實時且高性能的處理器，可靠性高，對事件反應敏捷	高端實時市場：高檔轎車的組件，大型大電機控制器
ARMv7-M (Microcontroller)	低成本，低功耗，急速反應中斷，高處理效率	單片機應用，實時控制系統(tǒng)

用于服務器的ARM架構芯片，是A系列的。目前較為流行的是ARMv8-A，ARM架構服務器的處理器，都是屬于A-profile的ARM架構。

例如華為泰山服務器使用的是海思的Kunpeng 920處理器，是基于ARMv8-A設計的服務器處理器芯片。研究其架構我們可以參考ARM提供的架構手冊：Arm? Architecture Reference Manual - Armv8, for A-profile architecture。

ARM的指令集架構與執(zhí)行模式

在ARMv8之前，ARM處理器一直支持兩種形式上相對獨立的指令集：

ARM：32位的ARM指令集，對應處理器ARM狀態(tài)

Thumb：16位的指令集，對應處理器Thumb狀態(tài)

在Thumb指令集的基礎上，Thumb-2指令集，是Thumb的超集，支持16位和32位指令。成為了后面的T32指令集。在ARMv8之后，為了區(qū)分之前的指令集，將指令集作出以下區(qū)分。

A64：A64指令集是在ARMv8-A中引入的，以支持64位架構。A64指令集有固定的32位指令長度。主要

A32：A32指令集有固定的32位指令長度，并在4字節(jié)邊界上對齊。A32指令集實際上是在ARMv6和ARMv7架構中我們常說的ARM指令集，ARMv8及之后改名A32（為了與A64進行區(qū)分）。隨著Thumb-2技術的引入，它的大部分功能都被納入了T32中。A32指令主要被用于A-profile和R-profile，相當于對T32指令集的擴展。

T32：T32指令集最初是作為16位指令的補充集引入的，用于改進的用戶代碼的代碼密度。隨著時間的推移，T32演變成16位和32位混合長度的指令集。因此，編譯器可以在單個指令集中平衡性能和代碼大小。T32指令集就是在在ARMv6和ARMv7架構中的Thumb指令集，ARMv8及之后改名為T32。T32支持所有架構的Profile，并且是M-Profile架構所支持的唯一指令集。

ARMv8架構具有兩種不同的執(zhí)行模式（execution modes）：

AArch64：64位執(zhí)行狀態(tài)，地址保存在64位寄存器中，基本指令集中的指令使用64位寄存器進行處理。 AArch64狀態(tài)支持A64指令集；

AArch32：32位執(zhí)行狀態(tài)，地址保存在32位寄存器中，基本指令集中的指令使用32位寄存器進行處理。 與ARMv7-A兼容，AArch32狀態(tài)支持T32和A32指令集。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的5 指令集架构汇总的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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