指令集

建設一棟大樓的基本元素有：水泥、磚頭、鋼材等原材料，但不同的構造過程則會呈現(xiàn)不同的建筑形式，其中建造圖紙起到了很大的指導作用。

同樣， CPU從表象上看雖然形式很多，但基本電路都由晶體管構成，例如常見的MOS管。

通過晶體管等基本電子元器件的組合可構成基本的邏輯電路：如與門、非門、與非門等。

這些基本邏輯電路通過不同的邏輯組合可分別完成不同的功能，就好比“把大象放進冰箱的段子”，首先打開冰箱門-->然后把大象放進去-->最后關上冰箱門。通過這些邏輯組合使動作具有了意義，而這些實現(xiàn)特定功能的邏輯組合集合就是指令集，如基本的加減運算。

指令集是一個標準，其會隨著需求變化不斷添加新的指令或優(yōu)化。同樣，指令集發(fā)生變更后，工程師在設計CPU時也需要在硬件電路上增加對應的電路模塊來支持變更的指令，配套的編譯器也會隨之升級。我們在玩51、STM32等單片機時需要相應的編譯器來實現(xiàn)相應程序開發(fā)就是這個道理。而在任何一款遵循同一指令集架構實現(xiàn)的處理器上，開發(fā)的應用無須做任何修改便可以運行。

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指令集與機器碼的橋梁-編譯器

無論處于上層的應用程序多么酷炫吊炸天，其在處理器上執(zhí)行就必須被翻譯成“機器語言”，然后通過0或1的排列組合去操作硬件實現(xiàn)功能。翻譯官這個角色就是編譯器的活，它將軟件與硬件世界連接了起來。編譯器在這個過程中，要經(jīng)過編譯、匯編、鏈接等幾個步驟, 最后生成"可執(zhí)行文件"，可執(zhí)行文件中保存的是二進制機器碼，這串機器碼可以直接被CPU讀取和執(zhí)行。

上圖表示在指令寄存器中正在執(zhí)行的一段為00101110機器碼，左四位0010為指令集LOAD_A（匯編代碼，將數(shù)據(jù)放到寄存器A），右四位1110（RAM地址，就是要去取這個地址上的8bit 機器碼數(shù)據(jù)放到寄存器A）。注意到0010這4bit數(shù)據(jù)先被放入一個門電路中，輸出結果就是1bit（拉高電壓），去控制內(nèi)存讀取這一條wire。這個圖只突出顯示了開啟內(nèi)存讀取一條wire的原理，沒有顯示在這一步指令中所有門電路原理圖。

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為啥根據(jù)指令集設計CPU而不是先設計CPU再指令集

設計一款CPU的過程就好比建房子，我們建房子肯定先要以一定的建設標準和規(guī)范為前提，依據(jù)一定的工程標準不僅使建設過程有序進行更重要的是最終能被驗收和被大家所接受。這也類似于我們軟件開發(fā)流程，必須先有需求再有開發(fā)，否則開發(fā)的軟件都沒有應用的場景。因此憑空設計一款CPU，首先會不會被廠商用另說，很多相應的配套也難以支持更何談讓軟件開發(fā)人員進行開發(fā)和推廣了。所以指令集作為一種標準規(guī)范，用于規(guī)范芯片設計工程師及編譯器開發(fā)工程師。

因為芯片與集成開發(fā)環(huán)境-IDE都遵循相同的指令集標準，所以高級語言編寫的程序經(jīng)指定編譯器編譯后能直接運行在對應的CPU上，反之則不能運行。

所以，CPU在設計之前，就需要先設計一套指令集或者說使用現(xiàn)成的指令集(如ARM、X86指令集)并在硬件電路上實現(xiàn)這些指令。CPU設計好后，還需要配套的編譯器，編譯器也需要參考這個指令集標準，將我們編寫的C程序、C++等程序編譯成CPU硬件電路支持的加減乘除、與或非等指令，我們的程序才能在CPU上運行。

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指令集與微架構

微架構是將指定指令集在處理器中如何執(zhí)行實現(xiàn)的方法，同現(xiàn)實生活中解決相同問題有很多途徑的原理一樣：同一指令集可以有不同的微架構，因同一指令可以通過不同的電路單元或組合來實現(xiàn)。例如英特爾基于x86指令集的微架構就很多代：

再比如ARM M系列處理器基于Armv6-M指令集所構建的M0/M1等微架構：

我們曾接觸的STM32F4系列單片機就是基于Armv7-M指令集的ARM Cortex-M4內(nèi)核：

不同的微架構有著不同的用途和性能，總體來說一大堆的運算單元、邏輯單元、寄存器等在各種總線和控制線的連接下組成了CPU的微架構。因此處理器架構是微架構和指令集架構的結合，指令集是處理器的語言，而微架構是具體的實現(xiàn)。

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指令集分類

目前市面上存在兩種指令集類型:

1、Reduced Instruction Set Computing (RISC) 精簡指令集：比如ARM、MIPS和大火的RISC-V等。

2、Complex Instruction Set Computing (CISC) 復雜指令集：比如Intel、AMD的X86等。

其中x86架構主要占據(jù)傳統(tǒng)PC市場，善于處理大數(shù)據(jù)；ARM占據(jù)移動市場，善于處理快數(shù)據(jù)；而RISC-V則依靠自己精簡的優(yōu)勢在數(shù)據(jù)傳輸領域占據(jù)優(yōu)勢。除此之外，其他指令集架構也占據(jù)部分市場如MIPS、Power等。

無論是CISC還是RISC，除了努力鞏固自己的性能優(yōu)勢，加強產(chǎn)品的性能外，還需要汲取雙方產(chǎn)品的特色，取長補短，期望有所突破，例如英特爾逐漸開始擁抱RISC-V。不過無論如何，未來的CPU肯定在朝著高性能、低功耗的方向發(fā)展。誰能在低功耗下提供高性能，誰就有希望獲得成功。