大家好，我是老萧。

缓存器相关的笔记老萧还在整理之中，为了不让大家久等，我打算先开始更新下一个系列的笔记文章——指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）。这一系列会更加的着重于 ISA 的历史、演化，相比于上一期的 Cache 缓存器来说，较为轻松简短，希望大家喜欢，并有所收获！

先按照国际惯例，贴下传送门：

Cache 缓存器系列笔记： Computer Architecture —— Cache 缓存器介绍 （一）

以下内容均为个人笔记，图片、内容来自：

1. 什么是指令集架构 （Instruction Set Architecture, ISA）？

先来看一张图：

Computer Architecture —— ISA 指令集架构介绍 （一）：为什么需要 ISA - 图1

图 1. 计算机系统抽象图

这张图描述了整个计算机系统从上到下的抽象层。首先最顶层的是应用程序（Application），那么应用程序在计算机里是由什么构成的呢？是由它的下一层级，算法（Algorithm）构成的。算法也依赖于所实现它的编程语言（Programming Language），然而编程语言也需要操作系统（Operating System）的支持才能正确工作。那什么东西支持操作系统呢？再往下一层就是我们今天的主角：指令集架构（Instruction Set Architecture, 以下简称 ISA）。

从 ISA 开始往下，都是和硬件电路相关的内容了，所以我们可以得出一个基本的定义：指令集架构是一个能为电路硬件翻译应用程序的一层抽象层。它能够为操作系统制定很多规则和约束，也能让编程者不用操心具体的电路结构，转而在这一抽象的、高级的、定义很多规则的层面编写程序，比如：

  • 这个计算机架构里有多少个寄存器（Register）？
  • 我能进行哪些运算操作？（有哪些指令？ADD，SUB，MUL 等等）
  • 如果遇到异常或者中断该怎么办？
  • 数据可以有哪些类型？最多有几个字节？
  • 等等等等

2. 为什么需要指令集架构

为什么需要在整个计算机系统中添加这么一个抽象层呢？用历史上经典的一个故事就能展示出它的重要性。

指令集架构（ISA）第一次出现是在 IBM 360 机器上，而 IBM 360 的出现，是为了解决公司遇到的这样一个问题：

（插一嘴，文章封面里的大块头就是 IBM 360）

当时 IBM 同时拥有四条生产线：

  • 701 （用于科学计算）
  • 650
  • 702
  • 1401 （用于商业计算）

这四种计算机完全不兼容！每一种都配有自己的指令集、编译器、存储器、汇编器、链接器等等。每当有新的计算机设计的时候，都要为其编写合适的编译器、汇编器等等，其中有很多任务都是重复性的，大大增加了成本，浪费了劳动力。其次，用于这四种机器的应用程序也必须特定编写，运行在 701 上面的软件不能在 1401 上运行。于是，IBM 公司 在 1964 年的时候，推出了一款大型电脑 —— IBM 360，首次提出和定义了指令集架构（ISA），区分了架构和实现（Implementation，or Microarchitecture），增强了通用性。我们来看看 IBM 360 的 ISA 具体是怎样的：

  • 16 个 32 - 位的通用寄存器（General Purpose Register，GPR）

  • 4 个浮点寄存器（Floating-Point Register）

  • 1 个程序状态寄存器（Program Status Word，PSW），用于储存程序计数器（Program Counter，PC）、条件代码（Condition Code）和控制标志（Control Flag）

  • 运用了 24 位的地址

  • 数据形式：（注：IBM 360 第一次定义了以下这些数据形式，并且得到了计算机界的认可，传承至今）

  • 8 比特 = 1 字节 （8-bit = Byte）

  • 16 比特 = 1 半字 （16-bit = Half Word）

  • 32 比特 = 1 字 （32-bit = Word）

  • 64 比特 = 1 双字 （4-bit = Double Word）

规定了这些，程序就可以依照这些特性来设计，并且只要依照这些特性设计的程序，都可以运行在支持这个架构的计算机上，这样一来，程序、编译器、汇编器等等软件的通用性就增加了。

3. 决定指令集架构的因素有哪些

既然指令集架构（ISA）设计的初衷是通用性，那为什么存在很多不同种类的架构呢，比如 ARM、x86、MIPS、PowerPC 等等？这是因为时势造英雄，在计算机发展的历史中，程序的要求和技术的限制造就了不同的架构。

在过去，程序没有那么复杂，编译器也没有那么聪明，内存的容量和速度是最大的瓶颈。所以一个程序所产生的指令的多少，很大程度上决定了它的性能。所以在以前的时候，指令都是可变长度（Variable-Length Instruction），这样就可以最大程度利用内存的容量，而且每条指令都能让处理器进行复杂的工作，这就是 CISC 指令集（Complex Instruction Set Computing）。

随着程序的发展，新的指令也在不断加入指令集架构中，指令集系统越来越复杂。比如，现在有越来越多的视频处理程序，这就要求指令集架构能提供 矢量（Vector） 相关的运算指令。而随着编译器变得越来越聪明，很多优化可以由编译器来完成，这就让人们开始更多的关注 RISC 指令集（Reduced Instruction Set Computing），一种使用固定长度指令、大量使用寄存器的指令级架构。

技术上的突破也让这种新的架构成为可能。随着内存和缓存的制造成本越来越低，我们不需要再像以前那样节约内存，这样可以使用固定长度的指令（Fixed-Length Instructions），可以大大优化指令解码的过程，减少处理器的周期时间。寄存器的成本降低，随之而来的就是可以在处理器里运用大量的寄存器组（Register File），也可以让地址空间（Address Space）从 32 位 扩展到 64 位。

现如今，RISC 和 CISC 也隐隐有着融合的趋势。CISC 处理器中添加了有着 RISC 机制的微指令（Micro-op, uop），而在 RISC 处理器中存在了 CISC 才有的微程序内存（Micro-code ROM），用来执行复杂的任务。

总而言之，来自上层软件程序的性能要求，和来自底部技术的限制，塑造了如今现有的指令集架构。未来 ISA 发展的趋势，就是在最大程度利用现有技术的情况下，为软件运行提供最好的性能支持。

4. 指令集架构（ISA） vs. 微架构（Microarchitecture）

指令集架构（ISA）和微架构（Microarchitecture）很多时候会被人们混淆。其实微架构就是对 ISA 的一种实现。

比如，AMD 和 Intel 的两款不同的芯片，尽管他们的指令集架构一样，能够运行相同的操作系统和程序，但他们的具体实现方式是不一样的，也就是他们拥有着不一样的微架构。

微架构更感兴趣的，是设计芯片时，各个指标的权衡（Trade-off）。这些指标包含了：

  • 功率（Power）
  • 面积（Area）
  • 成本（Cost）
  • 性能（Performance）

相比指令集架构，微架构更加关注这些内容：

  • 流水线深度
  • 流水线宽度（超标量流水线）
  • 缓存器的大小
  • 总面积
  • 峰值功率
  • 乱序执行（Out-of-Order）还是 有序执行（In-Order）
  • 总线带宽
  • 等等等等……

综合而言，微架构是指令集架构的一种实现方式，不同的处理器有着不一样的微架构。如果你是 RTL 设计工程师 或者 验证工程师，你就会拿到处理器的指令集架构的手册，然后根据这个手册，来设计或者验证芯片的微架构。
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