本節書摘來自異步社區《操作系統真象還原》一書中的第0章，第0.25節，作者：鄭鋼著，更多章節內容可以訪問云棲社區“異步社區”公眾號查看

0.25 指令集、體系結構、微架構、編程語言

指令集是什么？表面上看它是一套指令的集合。集合的意思顯而易見，那咱們說說什么是指令。

在計算機中，CPU只能識別0、1這兩個數，甚至它都不知道數是什么，它只知道要么“是”，要么“不是”，恰好用0、1來表示這兩種狀態而已。

人發明的東西逃不出人的思維，所以，先看看我們人類的語言是怎么回事。

不同的語言對同一種事物有不同的名字，這個名字其實就是代碼。比如說人類的好朋友：狗，咱們在中文里稱之為狗，但在英文中它被稱為dog，雖然用了兩種語言，但其描述的都是這種會汪汪叫、對人類無比忠誠的動物。人是怎樣識別小狗的呢？識別信息來自聽覺、視覺等，這是因為人天生具備處理聲音和圖像的能力，能夠識別出各種不同的聲音和顏色不同的圖像。可是計算機只能處理0、1這兩個數，所以讓計算機識別某個事物，只有用01這兩個數來定義。也就是說，要用0、1來為各種事物編碼。

為了更好地說明指令集，咱們這里不再用現有的語言舉例子，當然也不是要自創指令集。下面舉個簡單的例子來演示指令集的模型。

咱們拿表達式A=B+C為例。假設A、B、C都是內存變量的值，它們的地址分別是0x3000、0x3004、0x3008。在此用Ra表示寄存器A，Rb表示寄存器B，Rc表示寄存器C。

完成這個加法的步驟是先將B和C載入到Ra和Rb寄存器中，再將兩個寄存器的值相加后送入寄存器Ra，之后再將寄存器Ra的值寫入到地址為0x3000的內存中。

步驟有了，咱們再設計完成這些步驟的指令。

步驟1：將內存中的數據載入到寄存器，咱們假設它的指令名為load。

步驟2：兩個寄存器的加法指令，假設指令名為add。

步驟3：將寄存器中的內容存儲到內存，假設指令名為store。

以上指令名都是假設的，名字可以任意取，因為CPU不識別指令名。指令名是編譯器用來給人看的，為的是方便人來編程，CPU它只認編碼。目前CPU中的指令，無論是哪種指令集，都由操作碼和操作數兩部分組成（有些指令即使指令格式中沒有列出操作數，也會有隱含的操作數）。咱們也采用這種操作碼+操作數的思路，分別為這兩部分編碼。

咱們先為操作碼設計編碼。

接下來為操作數編碼，操作數一般是立即數、寄存器、內存等，咱們這里主要是為寄存器編碼。

好啦，操作碼和操作數都有了，其實指令集已經完成了。不過在一長串的二進制01中，哪些是操作碼，哪些是操作數呢？這就是指令格式的由來啦。我們人為規定個格式，規定操作碼和操作數的大小及位置，然后在CPU硬件電路中寫死這些規則，讓CPU在硬件一級上識別這些格式，從而能識別出操作碼和操作數。

假設我們的指令格式最大支持三個寄存器參數和一個立即數參數。其中操作碼和各寄存器操作數各占1字節，立即數部分占4字節。各條指令并不是完全按照此格式填充，不同的指令有不同的參數，只有操作碼部分是固定的，其他操作數部分是可選的。當CPU在譯碼階段識別出操作碼后，CPU自然知道該指令需要什么樣的操作數，這是寫死在硬件電路中的，所以不同的指令其機器碼長度很可能不一致。

為了演示指令集模型，我們在上面假設了寄存器名、指令名、格式。按理說這對于指令集來說已經全了，不過，為方便咱們了解編譯器，不如咱們再假設個指令的語法吧，咱們這里學習Intel的語法格式：“指令目的操作數，源操作數”。目的操作數在左，源操作數在右，此賦值順序比較直觀。Intel想表達的是 a=b這種語序，如a=b，便是mov a，b。

以上三個步驟的機器碼按照十六進制表示為：

以上自定義的指令便是按照咱們假設的語法來生成的。對于機器碼的大小，由于指令不同，需要的操作數也不同，所以機器碼大小也不同。另外，機器碼中的立即數是按照x86架構的小端字節序寫的，這一點大家要注意。小端字節序是數值中的低位在低地址，高位在高地址，數位以字節為單位。前面有一小節說明大小端字節序問題。

步驟2的機器碼為01 00 01 10。操作碼占1字節，CPU識別出第1字節的二進制01是add指令，知道此指令的操作數是3個寄存器，并且第1個寄存器操作數是目的寄存器，另外兩個寄存器是源操作數（這都是我們假定的，并且是寫死在硬件中的規則，不同的指令有不同的規則，您也可以創造出內存和寄存器混合作為操作數的加法指令）。于是到第2字節去讀取寄存器編碼，發現其值為二進制00，就是寄存器Ra對應的編碼。接著到下一個字節處繼續讀出寄存器編碼，發現是二進制01，也就是寄存器Rb，Rc同理。于是將寄存器Rb和Rc的值相加后存入到寄存器Ra。

步驟3中，機器碼為10 00 0c300000，CPU讀取機器碼的第1 字節發現其為二進制10，知道其為指令store，于是便確定了，目的操作數是個立即數形式的內存地址，源操作數是個寄存器。接著到指令格式中的寄存器操作數1的位置去讀取寄存器編碼，發現其值為00，這就是寄存器Ra的編碼。機器碼中剩下的部分便作為立即數，這樣便將寄存器Ra的值寫入到內存0x0000300c中了。

以上指令集的模型，確實太過于簡單了，也許稱之為模型都非常勉強。現實中的指令格式要遠遠復雜得多。下面我們看看目前世面上的指令集有哪些。

最早的指令集是CISC（Complex Instruction Set Computer），意為復雜指令集計算機。從名字上看，這套指令集相當復雜，當初這套指令集問世的時候，它的研發者們都沒想過要給它起名，只是因為后來出現了相對精簡高效的指令集，所以人們為了加以區分，才將最初的這套相對復雜的指令集命名為CISC，而后來精簡高效的指令集稱為RISC（Reduced Instruction Set Computer）。

CISC和RISC并不是具體的指令集，而是兩種不同的指令體系，相當于指令集中的門派，是指令的設計思想。舉個例子，就像中醫與西醫，中醫講究從整體上調理身體，西醫則更多的是偏向局部。這就是兩種不同的醫療思路，類似于CISC和RISC這兩種指令體系。那什么是指令集呢？拿中醫舉例，像華佗、張仲景這兩位醫圣，他們雖然都是基于中醫的思想治病，但醫術各有特色，水平也不盡相同，這就相當于不同的指令集。一會兒咱們會介紹具體的指令集。

為什么說CISC復雜呢？

首先，因為它是最早的指令集，當初都是摸著石頭過河，肯定有一些瑕疵在里面。其次，當初的程序員都是用匯編語言開發程序，他們當然希望匯編語言強大啦，盡量多一些指令，盡量一個指令能多干幾件事，所以指令集中的指令越來越多，越來越復雜。不過這樣的好處是程序員同學很爽。最后，CISC是Intel使用的指令集，Intel公司在兼容性方面做得最好，指令集在發展的過程中，還要兼容過去有瑕疵的古董，以至于最后的指令集變得有點“奇形怪狀”了。

作為后起之秀的RISC，借鑒了前輩CISC的經驗，取其精華，棄其糟粕，當然要更好更輕量啦。它是怎么來的呢？

CISC不是做得很全很強嗎，可是很多時候，程序員并不會用到那些復雜的指令和尋址方式，即使用到了，編譯器有時候為了優化，未必“全”將其編譯為復雜的形式。這就導致了CPU中的復雜的指令和尋址方式無用武之地。根據二八定律，指令集中20%的簡單指令占了程序的80%，而指令集中80%的復雜指令占了程序的20%。根據這個特性，處理器及指令集被重新設計，保留了那些基本常用的指令，減少了硬件電路的復雜性。這樣，大部分指令都能在一個時鐘周期內完成，更有利于提升流水線的效率。而且，指令采用了定長編碼，這樣譯碼工作更容易了。由于其太優秀了，后來的處理器，如MIPS，ARM，Power都采用RISC指令體系，做得最好的就是MIPS處理器，它嚴格遵守RISC思想，業界公認其優雅。

我們常用的CPU是Intel和AMD公司的產品，它們用的指令集便是基于CISC思想的x86。AMD的x86指令架構是Intel授權給他們的，為區別于此，Intel在官方手冊上稱自己的指令集為IA32。

雖然AMD采用的也是x86指令集，但Intel可沒把硬件實現方法也告訴AMD，否則AMD的CPU和Intel的CPU不就完全一樣了嗎，人家Intel也不肯呢。指令集是一套約定，里面規定的是有哪些指令、指令的二進制編碼、指令格式等，如何實現這套約定，這是硬件自己的事。打個比方，這就像和朋友約好了在某餐廳吃飯，咱是坐車去，還是走著去，這是咱們的事，與吃飯是無關的。說白了，在Intel的CPU上運行的軟件也能夠在AMD的CPU上運行，原因就是它們共用了同用一套指令集，也就是對二進制編碼達成了共識。它們面對相同的需求，可能采取了不同的行動，但都完成了任務。比如機器碼是b80000，Intel的CPU經過譯碼，知道這是將0賦值給寄存器ax，相當于匯編語言mov ax，0。AMD的CPU在譯碼時，也得將此機器碼認為是將0賦值給寄存器ax。至于它們在物理上是怎么將0傳入寄存器ax中的，這是它們各自實現的方式，與指令集無關。它們各自實現的方式，就叫微架構。

總結一下，指令集是具體的一套指令編碼，微架構是指令集的物理實現方式。

發展到后來，x86指令集越來越復雜。它本屬于CISC體系，但由于效率低下，最終在其內部實現上采取了RISC內核，即一條CISC指令在譯碼時，分解成多條RISC指令，這樣其執行效率便可與RISC媲美啦。

目前市面上常見的指令集有五種，除x86是CISC指令體系外，ARM、MIPS、Power、C6000都是RISC指令體系的指令集。

CPU與指令集是對應的，一種CPU只能識別一種指令集，所以很多CPU都以其支持的指令集來稱呼。比如ARM、MIPS，它們本身是CPU名稱，又是指令集名稱。

ARM主要用在手機中，作為手機的處理器。Power是IBM用于服務器上的處理器。C6000是數字信號處理器，廣泛用于視頻處理。而MIPS雖然本身很優秀，但其在各領域起步都較晚，并沒有廣泛應用的領域。

由于MIPS本身的優越性，龍芯用的就是mips指令集，有沒有人問，為什么咱們自主研發的CPU還要用人家國外的指令集？就不能也研發出一套指令集嗎？能倒是能，不過語言不通用。就像我自己可以發明一門語言，語言本身沒什么問題，問題是我用自己發明的語言和別人交流，誰聽得懂呢，誰又愿意去學這門語言呢？大家都很忙，不通用的東西沒人愿意花精力去學。如果龍芯也自立門戶創造新的指令集，那有誰愿意給它寫編譯器呢？即使有了編譯器，操作系統也要重新編譯發布，應用程序也要重新編譯發布，指令集背后不僅是個計算機生態鏈，更重要的是全球經濟鏈。

平時所說的編程語言，雖然其上層表現各異，歸根結底是要在具體的CPU上運行的，所以必須由編譯器按照該CPU的指令集，翻譯成符合該CPU的指令。說到這，不得不說一下交叉編譯，本質上交叉編譯就是用在A平臺上運行的編譯器，編譯出符合B平臺CPU指令集的程序，編譯出的程序直接能在B平臺上運行啦。這里的平臺指的就是CPU指令體系結構。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的《操作系统真象还原》——0.25 指令集、体系结构、微架构、编程语言的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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