本节书摘来自异步社区《操作系统真象还原》一书中的第0章，第0.25节，作者：郑钢著，更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

0.25 指令集、体系结构、微架构、编程语言

指令集是什么？表面上看它是一套指令的集合。集合的意思显而易见，那咱们说说什么是指令。

在计算机中，CPU只能识别0、1这两个数，甚至它都不知道数是什么，它只知道要么“是”，要么“不是”，恰好用0、1来表示这两种状态而已。

人发明的东西逃不出人的思维，所以，先看看我们人类的语言是怎么回事。

不同的语言对同一种事物有不同的名字，这个名字其实就是代码。比如说人类的好朋友：狗，咱们在中文里称之为狗，但在英文中它被称为dog，虽然用了两种语言，但其描述的都是这种会汪汪叫、对人类无比忠诚的动物。人是怎样识别小狗的呢？识别信息来自听觉、视觉等，这是因为人天生具备处理声音和图像的能力，能够识别出各种不同的声音和颜色不同的图像。可是计算机只能处理0、1这两个数，所以让计算机识别某个事物，只有用01这两个数来定义。也就是说，要用0、1来为各种事物编码。

为了更好地说明指令集，咱们这里不再用现有的语言举例子，当然也不是要自创指令集。下面举个简单的例子来演示指令集的模型。

咱们拿表达式A=B+C为例。假设A、B、C都是内存变量的值，它们的地址分别是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。

完成这个加法的步骤是先将B和C载入到Ra和Rb寄存器中，再将两个寄存器的值相加后送入寄存器Ra，之后再将寄存器Ra的值写入到地址为0x3000的内存中。

步骤有了，咱们再设计完成这些步骤的指令。

步骤1：将内存中的数据载入到寄存器，咱们假设它的指令名为load。

步骤2：两个寄存器的加法指令，假设指令名为add。

步骤3：将寄存器中的内容存储到内存，假设指令名为store。

以上指令名都是假设的，名字可以任意取，因为CPU不识别指令名。指令名是编译器用来给人看的，为的是方便人来编程，CPU它只认编码。目前CPU中的指令，无论是哪种指令集，都由操作码和操作数两部分组成（有些指令即使指令格式中没有列出操作数，也会有隐含的操作数）。咱们也采用这种操作码+操作数的思路，分别为这两部分编码。

咱们先为操作码设计编码。

接下来为操作数编码，操作数一般是立即数、寄存器、内存等，咱们这里主要是为寄存器编码。

好啦，操作码和操作数都有了，其实指令集已经完成了。不过在一长串的二进制01中，哪些是操作码，哪些是操作数呢？这就是指令格式的由来啦。我们人为规定个格式，规定操作码和操作数的大小及位置，然后在CPU硬件电路中写死这些规则，让CPU在硬件一级上识别这些格式，从而能识别出操作码和操作数。

假设我们的指令格式最大支持三个寄存器参数和一个立即数参数。其中操作码和各寄存器操作数各占1字节，立即数部分占4字节。各条指令并不是完全按照此格式填充，不同的指令有不同的参数，只有操作码部分是固定的，其他操作数部分是可选的。当CPU在译码阶段识别出操作码后，CPU自然知道该指令需要什么样的操作数，这是写死在硬件电路中的，所以不同的指令其机器码长度很可能不一致。

为了演示指令集模型，我们在上面假设了寄存器名、指令名、格式。按理说这对于指令集来说已经全了，不过，为方便咱们了解编译器，不如咱们再假设个指令的语法吧，咱们这里学习Intel的语法格式：“指令目的操作数，源操作数”。目的操作数在左，源操作数在右，此赋值顺序比较直观。Intel想表达的是 a=b这种语序，如a=b，便是mov a，b。

以上三个步骤的机器码按照十六进制表示为：

以上自定义的指令便是按照咱们假设的语法来生成的。对于机器码的大小，由于指令不同，需要的操作数也不同，所以机器码大小也不同。另外，机器码中的立即数是按照x86架构的小端字节序写的，这一点大家要注意。小端字节序是数值中的低位在低地址，高位在高地址，数位以字节为单位。前面有一小节说明大小端字节序问题。

步骤2的机器码为01 00 01 10。操作码占1字节，CPU识别出第1字节的二进制01是add指令，知道此指令的操作数是3个寄存器，并且第1个寄存器操作数是目的寄存器，另外两个寄存器是源操作数（这都是我们假定的，并且是写死在硬件中的规则，不同的指令有不同的规则，您也可以创造出内存和寄存器混合作为操作数的加法指令）。于是到第2字节去读取寄存器编码，发现其值为二进制00，就是寄存器Ra对应的编码。接着到下一个字节处继续读出寄存器编码，发现是二进制01，也就是寄存器Rb，Rc同理。于是将寄存器Rb和Rc的值相加后存入到寄存器Ra。

步骤3中，机器码为10 00 0c300000，CPU读取机器码的第1 字节发现其为二进制10，知道其为指令store，于是便确定了，目的操作数是个立即数形式的内存地址，源操作数是个寄存器。接着到指令格式中的寄存器操作数1的位置去读取寄存器编码，发现其值为00，这就是寄存器Ra的编码。机器码中剩下的部分便作为立即数，这样便将寄存器Ra的值写入到内存0x0000300c中了。

以上指令集的模型，确实太过于简单了，也许称之为模型都非常勉强。现实中的指令格式要远远复杂得多。下面我们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），意为复杂指令集计算机。从名字上看，这套指令集相当复杂，当初这套指令集问世的时候，它的研发者们都没想过要给它起名，只是因为后来出现了相对精简高效的指令集，所以人们为了加以区分，才将最初的这套相对复杂的指令集命名为CISC，而后来精简高效的指令集称为RISC（Reduced Instruction Set Computer）。

CISC和RISC并不是具体的指令集，而是两种不同的指令体系，相当于指令集中的门派，是指令的设计思想。举个例子，就像中医与西医，中医讲究从整体上调理身体，西医则更多的是偏向局部。这就是两种不同的医疗思路，类似于CISC和RISC这两种指令体系。那什么是指令集呢？拿中医举例，像华佗、张仲景这两位医圣，他们虽然都是基于中医的思想治病，但医术各有特色，水平也不尽相同，这就相当于不同的指令集。一会儿咱们会介绍具体的指令集。

为什么说CISC复杂呢？

首先，因为它是最早的指令集，当初都是摸着石头过河，肯定有一些瑕疵在里面。其次，当初的程序员都是用汇编语言开发程序，他们当然希望汇编语言强大啦，尽量多一些指令，尽量一个指令能多干几件事，所以指令集中的指令越来越多，越来越复杂。不过这样的好处是程序员同学很爽。最后，CISC是Intel使用的指令集，Intel公司在兼容性方面做得最好，指令集在发展的过程中，还要兼容过去有瑕疵的古董，以至于最后的指令集变得有点“奇形怪状”了。

作为后起之秀的RISC，借鉴了前辈CISC的经验，取其精华，弃其糟粕，当然要更好更轻量啦。它是怎么来的呢？

CISC不是做得很全很强吗，可是很多时候，程序员并不会用到那些复杂的指令和寻址方式，即使用到了，编译器有时候为了优化，未必“全”将其编译为复杂的形式。这就导致了CPU中的复杂的指令和寻址方式无用武之地。根据二八定律，指令集中20%的简单指令占了程序的80%，而指令集中80%的复杂指令占了程序的20%。根据这个特性，处理器及指令集被重新设计，保留了那些基本常用的指令，减少了硬件电路的复杂性。这样，大部分指令都能在一个时钟周期内完成，更有利于提升流水线的效率。而且，指令采用了定长编码，这样译码工作更容易了。由于其太优秀了，后来的处理器，如MIPS，ARM，Power都采用RISC指令体系，做得最好的就是MIPS处理器，它严格遵守RISC思想，业界公认其优雅。

我们常用的CPU是Intel和AMD公司的产品，它们用的指令集便是基于CISC思想的x86。AMD的x86指令架构是Intel授权给他们的，为区别于此，Intel在官方手册上称自己的指令集为IA32。

虽然AMD采用的也是x86指令集，但Intel可没把硬件实现方法也告诉AMD，否则AMD的CPU和Intel的CPU不就完全一样了吗，人家Intel也不肯呢。指令集是一套约定，里面规定的是有哪些指令、指令的二进制编码、指令格式等，如何实现这套约定，这是硬件自己的事。打个比方，这就像和朋友约好了在某餐厅吃饭，咱是坐车去，还是走着去，这是咱们的事，与吃饭是无关的。说白了，在Intel的CPU上运行的软件也能够在AMD的CPU上运行，原因就是它们共用了同用一套指令集，也就是对二进制编码达成了共识。它们面对相同的需求，可能采取了不同的行动，但都完成了任务。比如机器码是b80000，Intel的CPU经过译码，知道这是将0赋值给寄存器ax，相当于汇编语言mov ax，0。AMD的CPU在译码时，也得将此机器码认为是将0赋值给寄存器ax。至于它们在物理上是怎么将0传入寄存器ax中的，这是它们各自实现的方式，与指令集无关。它们各自实现的方式，就叫微架构。

总结一下，指令集是具体的一套指令编码，微架构是指令集的物理实现方式。

发展到后来，x86指令集越来越复杂。它本属于CISC体系，但由于效率低下，最终在其内部实现上采取了RISC内核，即一条CISC指令在译码时，分解成多条RISC指令，这样其执行效率便可与RISC媲美啦。

目前市面上常见的指令集有五种，除x86是CISC指令体系外，ARM、MIPS、Power、C6000都是RISC指令体系的指令集。

CPU与指令集是对应的，一种CPU只能识别一种指令集，所以很多CPU都以其支持的指令集来称呼。比如ARM、MIPS，它们本身是CPU名称，又是指令集名称。

ARM主要用在手机中，作为手机的处理器。Power是IBM用于服务器上的处理器。C6000是数字信号处理器，广泛用于视频处理。而MIPS虽然本身很优秀，但其在各领域起步都较晚，并没有广泛应用的领域。

由于MIPS本身的优越性，龙芯用的就是mips指令集，有没有人问，为什么咱们自主研发的CPU还要用人家国外的指令集？就不能也研发出一套指令集吗？能倒是能，不过语言不通用。就像我自己可以发明一门语言，语言本身没什么问题，问题是我用自己发明的语言和别人交流，谁听得懂呢，谁又愿意去学这门语言呢？大家都很忙，不通用的东西没人愿意花精力去学。如果龙芯也自立门户创造新的指令集，那有谁愿意给它写编译器呢？即使有了编译器，操作系统也要重新编译发布，应用程序也要重新编译发布，指令集背后不仅是个计算机生态链，更重要的是全球经济链。

平时所说的编程语言，虽然其上层表现各异，归根结底是要在具体的CPU上运行的，所以必须由编译器按照该CPU的指令集，翻译成符合该CPU的指令。说到这，不得不说一下交叉编译，本质上交叉编译就是用在A平台上运行的编译器，编译出符合B平台CPU指令集的程序，编译出的程序直接能在B平台上运行啦。这里的平台指的就是CPU指令体系结构。