科普向 ISA,cpu架构原理 - 知乎

好吧，我开始写这东西基本上是由于太闲。朋友介绍我来知乎本来就是让我科普一些东西的，但是我以为知乎只是一个问答式的系统，刚刚才发现有这个直接写文章的地方… 因为手机端上一直找不到这个。发这篇文是由于，一来本身就是想科普，二来在知乎看到很多对 isa，cpu 架构的误解。先说明关于本文的几点：

1. 既然是科普向，那不是专门写给专业人员看的，专业人员都喜欢看那些非常严肃，定义严谨的教科书，我本人是一个不大喜欢教科书式教育的人，所以这篇也不会是那种各种专业词语乱飞的文章。但是我没有在国内学习过 cpu 架构，所以有些名字我的确不喜欢或者不知道中文翻译，会用英语原文。尽量不用这种文绉绉的语气，多点用调侃或者比较非正式的话语。
2. 在这边的公司面试的时候，我遇到过一个比较有趣的问题是：你要设计 cpu，你怎么向你奶奶解释你现在的工作。首先，我奶奶已经去世了，也没办法向她解释。其实，这是一个非常有趣的问题，为什么面试的时候回经常问？因为 cpu 设计行业里面，很多专业的知识，别说一般市民，即使是公司里面的其他员工，随时是跨领域的对话，所以，必须会用比较简单的例子来解释复杂的问题。我当时回答是用厨房煮菜的过程来解释 cpu 的流水线，这篇文当然也会常常用到类似的比喻，不是因为我喜欢做菜或者我是吃货，是因为我当时只想到厨房。
3. 一篇全是文字的科普向文章是非常非常沉闷的，为了让读者不睡着，我会偶尔讲冷笑话，如果太冷了，本人水平有限。我会偶尔插入一些无关的猫咪图片（比如这个）

让读者有个视觉的错觉，能让读者稍微放松一下。而我并不是猫奴，已经没和猫一起住快半年了。

那么开始吧。

什么是 isa？

isa, instruction set architecture. 中文就是，指令，集合，架构。在计算机里面，什么是 isa 呢？就是 xx 定义的一个指令集，这里的 xx 可以指任何东西。比如你只会做加法，你就定义一个叫假发 isa（不是假发，是桂），这个指令集只做加法，这也是一个 isa。任何一个 isa 对于另外一个 isa 都没有根本意义上的 “先进”，isa 之间的对比是非常复杂的。你只会做加法，我只会做乘法，你说我们谁先进？我见得比较多的是争吵 x86 isa 比 arm isa 先进的，我往往一脸懵逼，好像他们比我懂，我是不是不应该插一腿进去…

x86 isa 现在是 Intel 和 AMD 共同拥有，也就是说如果你要开新的 x86cpu 公司你必须向这两者付版权费用，而且必须两者都同意你才能获得完整的 isa，如果你只获得一部分不完整的 isa，那就和完全没拿到 isa 一样。ISA 在 cpu 里面，就想是字典，用厨房的比喻就是菜谱，菜谱定义了你这个厨房会做什么菜，这个菜做出来是什么样什么味道，那么顾客在这家连锁店的任何一间都能叫到相同的菜，吃到相同的味道。

ARM isa 当然是 ARM 公司所有的，当时 ARM 公司是定菜单的，并且给出试菜的人，说你们每家店都要做出这个味才算 ARM。而做店的则是不同的公司，像 qualcomn 啦，他们中间喜欢怎么做菜是他们的自由，但是必须会那几道菜，必须做出这个味。

各家的菜单都一样，所以顾客不需要知道是谁做的菜，只要是这个菜单，做出来肯定一个味。因为操作系统根本不需要知道你 cpu 是怎么设计的，操作系统只要知道，我需要运行这些指令，你知道怎么运行就行了，每个不同牌子的 cpu，只要你运行出来结果都一样，就行了。如果 isa 定义 1+1=9，那么这个是定义下来的，所有人都这样错，就没错。如果 isa 定义了 1+1=9，你要纠正他，我的 cpu 是 1+1=2，那么你做出来的 cpu 虽然数学上正确，但是所有软件，系统，就突然不知道怎么办了。你说这么愚蠢的错误 cpu 不可能犯是吧？自行百度一下苹果 75-37.5 bug（虽然不一定是 cpu 或者 isa 上的错误，也许是软件上的）

然后又有人说 ISA 是铁定下来的，x86 的良好生态环境是因为他的 ISA 一直有 legacy 支持。legacy 直接翻译就是遗产。x86 的 legacy 支持的意思就是，世界上第一个 x86cpu 支持的东西，今年你发明的 x86 cpu 也支持，以后的也要支持。的确从某个角度上来说，农企和 Intel 都非常努力的去支持很多已经没什么人的东西，就是餐馆里菜谱里面有些菜基本上你都不会去试的。你说你都不用了，农企 Intel 还在那里浪费设计是吧？你不用不代表没人用啊，X 国很多军用的设备还是 Windows95 啊，甚至还是服役中的 Windows3.1 啊，银行的 atm 还有用 Windows98 的。别问我为什么他们要那样，如果他们肯花钱找些软件工程师重新写那些程序，就可以用最新的东西，很多没有注释，现在没有人学的语言，或者算法诡异的程序，很多军事设备还在用啊。原因大概是：这种语言连学都没人学，我自己都看不懂，我看你怎么破解我的坦克系统！

但是实际上 x86 又不是完全 100%legacy 支持的，至少 isa 上面没有这样定义，农企和 Intel 也没有官方明文定义。x86 里面有一个指令叫 cpuid，系统 / 编译器运行它的时候，它会给出一些数据，就是告诉系统 / 编译器，这个 cpu 支持什么东西，这个 cpu 有些什么新东西之类的。所以，理论上可以设计一个 cpu，不支持那些非常少用的指令，以降低 cpu 的设计复杂程度，也更省电省事。（对不起，你想吃的这个菜，我们不卖了，你找另外一家试试）

CPU 架构

这个主题，如果你有编程经验，食用效果更佳。

下面这段纯属个人经历，无关主题，可跳过。

如果你有编程经验，你有没有想过，你写的代码是怎么运行的？我当初就是由于这个原因而对 cpu 感兴趣然后不知不觉进了这一行。我和知乎某 czh 用户（据说已成教）是某理工大学同学，我的编程能力远不及他。但是我是这样的一个人，我看到轮子转，我就想知道轮子是怎么转的，我就想拆开马达，拆开电线，然后学物理，学磁感线，然后知道是什么让轮子转。后来由于各种原因我有缘接触汇编，cpu 架构之后，对比起编程，我对 cpu 的运行原理非常兴趣，我是兴趣使动的，然后就花时间去研究了。其实 UIUC 对于半导体，EE 那边的研究更多更有趣，但是那边的教授的所有课让我对 computer architecture 的有浓厚兴趣。我学习过程是这样的，怎么写 c->c 怎么编译会汇编语言 -> 汇编语言怎么在 cpu 里面运行 ->cpu 的组成 ->transistor 的原理 -> 半导体的电子学应用 -> 半导体的工业使用。在学习半导体的时候，对各种光学半导体也曾经非常感兴趣，没有继续学下去的原因是，设备太贵了，里面的数学太难了（对，说的就是数学，很多方程都没有解答方法，很多是以前的数学家通过直接观察式子，然后试答案试出来的，所以很多differential equation要单纯靠记忆，我对背书非常非常不在行，如果有哪一天有数学家发现了可以怎么算，我学了算法也许还能去学一点）！后来就去研究 cpu 怎么才能提高效率。

回归正题，代码是怎样运行的呢？给纯来看科普的读者的厨房比喻，你要组织一个宴会，然后你说了要弄些什么，你就是软件。然后有个人，专门根据你你要求，弄成一份菜单，他就是编译器。然后把这份菜单给厨房，基本上就是：读菜单拿食材（instruction fetch），切菜（decode），煮菜（execute），上盘出餐（load store and writeback）。然后前面就一读菜单，后面就一直工作。

给有一点编程知识的读者：举个例子，c：

int func（）{

…

int a = 1;

a = a +3;

…

}

这段编译后，大概就是

sub sp, 4 ; stack point increase 变量都在函数栈里留一个位置，因为是 int 所以留 4

mov ebx, 1 ; ebx 用来存 1，就是你定义 a 了，a=1

; mov [sp], ebx ; 有时候如果需要，就把 ebx 是值存到刚刚预留的栈里

; mov ebx, [sp] ; 需要用的时候再读出来，不是必然会发生的，但是这两步可能发生

add ebx, 3 ; ebx = ebx+3, 当然你可以用其他 register

…

你不需要读得懂，因为我手打的，分分钟错给你看。然后这些东西，就会跑到内存，没错，你运行软件的时候，代码是先去到内存，如果想了解他们怎么从硬盘跑到内存，这是另外一个主题，我这里先不讨论，然后缓存又会把这些代码读取，缓存就已经在 SoC 里面的，cpu 在从缓存里面读取，别问为什么这么麻烦读这么多次，都是为了省钱和稍微加快速度。

由于是举例子，我就随便乱说个 decode。这个是 Intel 公布的 manual，问我为什么不用本家农企是吧？因为我拿到农企那个不是对外公布的，公布版我还要上网找。

Opcode Instruction Op/ En 64-bit Mode Compat/ Leg Mode D

05 id ADD EAX, imm32 I Valid Valid Add imm32 to EAX.

在 cacheline 里面看起来大概是这样的 0x0502_00000003

里面的_代表其他位不详细讲的，大概这个翻译成机械码就是 要做 05（ADD 加法）在 02（ebx 实际上我印象中 ebx 是 02，然而 eax 是 00，不是 01，这些编码乱七八糟的，Intel 决定的，别问我）后面的 00000003 就是 32 为 imm32，就是 add, ebx 03

cpu 读了这条 cacheline 叫 instruction fetch，然后下一步就是把它 decode，解释成 add, ebx 03, 再下一步就是把运行（execute，没错，这么麻烦之后，最后终于要算了），把算得的结果存到 ebx 上，然后再看看需不需要存回去 cacheline 或者内存里面（load/store writeback）。这个就是 cpu 的基本运行原理。

CPU pipeline

有时候会听到 cpu 流水线，如果按照上面的做法，没一个指令都要通过这几部来预算，那么只有一部分电子器件在用的时候，其他部分都在发呆浪费电。就像是，厨房里面，从取菜到上盘全部都一个人做，肯定要累死那个人，但是你炒菜的时候，是不是想，如果有人已经帮你切好菜，我就一直炒菜好了，这样我们厨房工作效率就高了，cpu 也是这样。

转自 A Journey Through the CPU Pipeline
让你们失望了，这张图不是猫咪。这是一个经典的 cpu 运行流水线。换成厨房理论，就是，一个人专门去食材，一个人专门切菜，一个人专门炒菜，一个人专门上盘，一个人专门给客人下单上菜，是不是现代化很多呢！然而这样不能满足我们 cpu 的工程师，我们还有 branch prediction，什么叫 branch prediction 呢？程序黎里面最耗时间的一个就是 branch，就像 c 里面的 if，你得到答案之前不知道是继续往下走还是进去 if 里面的括号。就像下单的小哥，那些犹豫不决而改菜单的人最讨厌了。于是 cpu 里面有了这个东西，他是怎么用的呢。下单的小哥也不是笨蛋，顾客 a 来了 100 多次了，有 80 次都改单把猪肉改成鸡肉，那么他下单时候，小哥就先说了，改鸡肉，如果顾客 a 觉得还是猪肉吧，就再抄，如果顾客 a 真的改单，那么厨房以及开始做了，而且有 80% 的几率啊，小哥还是挺聪明的吧。cpu 也大概是这样，根据每个 loop 的地址 (顾客) 来训练出一个未卜先知的系统。

上图里面还有 OOO（out of order），x86 里面，real mode 可以用的 general register 只有 8 个，eax，ebx，之类的，64 位之后增加了 8 个。流水线工作，如果

mov eax，1；

add eax，1；

sub eax，2；

你们发现问题了没，eax 用了再用，但是流水线做 add 的时候，eax 是 1，sub 在等 add retire 之前，是不能做的，那么你就不得不等。那么流水线的效率就体现不出来了。因为这里有一个 write after write 的 dependency，就是同一个 register，你两个 pipeline stage 要用同一个 register，而且 x86 在传统模式只有 8 个 register，eax,ebx 等等，64 位模式增加了一些。所以这中情况是非常常见的。为了解决这个问题，就有了 out of order execute， in order commit。就是不按顺序来运行指令，但是按顺序完成指令。

用厨房理论解释就是，有这么一道菜（或者说两道菜），鸡要先煮了然后炸，你煮熟鸡之前不能炸，否则炸了再煮，口感就不同了，顾客肯定骂死你，但是后面又有其他菜在等，锅你是有的，所以在煮鸡的时候，你先做后面的菜，然后鸡煮好了，再炸。出餐的时候，你还是先出了这道鸡肉再出后的菜，那样顾客就不会投诉出餐的顺序不按菜单了。

大概就说这么一通吧，也不知道有没有解释清楚，我中文越来越差了，说话都咬舌头，而且我说方言版本的粤语比较多，普通话有时候也说不准确了 Orz(求别喷，用得少就说不好了)。里面夹杂了一些英文，因为我看了中文的翻译，我觉得那样翻译不好，也不准确，但是我又不想自己想个新词来误导读者，只好用英文了。如果有读者对某些题目有特别的兴趣，我再想想什么时候有空再写点什么吧。

我是学过怎么做引用注释的，但是中文的好像没学过。复制过来试试吧。

引用：

A Journey Through the CPU Pipeline —Bryan Wagstaf**f**

http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-instruction-set-reference-manual-325383.pdf — intel isa manual

百度图片找到的猫咪 — 作者不详
https://zhuanlan.zhihu.com/p/20731557