第一节 CPU体系结构

1.1 CPU体系结构定义

CPU体系结构可以指基于某一类CPU的计算机硬件系统给运行于其之上的软件提供的接口和界面。

从程序员的角度来看，CPU体系结构是指程序员能观察到的基于某一类CPU的计算机硬件系统具有的共同属性。如果一个二进制软件可以能直接运行在两台计算机系统之上，而且无论花费多少运行时间，所获得的结果完全相同，那么这两台计算机硬件系统具有相同的CPU体系结构。具有相同CPU体系结构的计算机硬件系统，将具有相同的软件运行结果；软件运行的速度主要取决于CPU的实现技术和计算机的组成技术。
从CPU设计者角度来看，CPU体系结构涉及到数据表示、寻址模式、通用寄存器、CPU系统寄存器、指令集、CPU状态、CPU权限级、内存子系统等各种组件；这些组件看似独立，但相互之间的关联性很大。例如，指令集本身就依赖数据表示、寻址模式、通用和CPU系统寄存器；CPU状态又和CPU系统寄存器，CPU权限级有密切关系等等。

1.2 CPU体系结构分类

CPU体系结构可以分为两大类：复杂指令集体系结构CISC,例如X86_64体系结构；精简指令集体系结构RISC，除了X86之外的其他体系结构，例如ARM64、MIPS64和PowerPC等，都属于RISC体系结构。
CISC和RISC体系结构具有以下主要差别。

首先，从指令编码长度来看，CISC采用了变长指令编码长度；RISC一般采用等长指令编码，通常采用32位指令编码长度。
其次，CISC没有定制专门的访存指令，算术指令都可以直接寻址内存单元；而RISC有专门定制的访存指令，其他指令不能直接访问内存单元。
另外，CISC将内存空间和IO空间相互独立编址，因此具有两个完全独立的内存空间和IO空间，并实现专用IO空间访问指令；而RISC将内存和IO进行统一编址，内存和IO都是在同一个地址空间上不同范围，内存单元和IO端口的都采用相同的专门访存指令进行访问。
还有，CISC体系结构的指令数量远远多于RISC体系结构；CISC体系结构提供的通用寄存器一般也少于RISC；大多数RISC对数据有严格的对齐要求，而CISC没有这方面的限制。

1.3 CPU位宽

CPU的位宽主要是指程序员编程的数据宽度和地址宽度，CPU位宽取决于两个设计因素：其一，通用寄存器的最大位宽；其二，访存指令寻址时的地址位宽。
需要特别说明的是，CPU位宽并不依赖于CPU系统寄存器的宽度，也不依赖于CPU物理地址宽度。上世纪九十年代主流是32位的CPU；当前绝大多数通用CPU是64位的并且向前兼容32位，单纯32位CPU一般应用于嵌入式。

1.4 ARM体系结构

ARM体系结构是一种精简指令集体系结构RISC，具有以下基本特点：通用寄存器数量较多；采用load/store专用访存指令，其他指令不能直接访问地址单元，地址由寄存器或指令本身决定；内存单元地址和外设端口号采用统一编址方式，系统主存和外设统一分布在CPU物理地址空间的不同范围。
飞腾CPU遵循的ARMv8标准架构,所有的指令编码长度为32位，支持64位虚拟地址，4个权限级，支持64位执行状态并兼容32位执行状态。本文重点介绍飞腾CPU的64位执行状态AArch64。

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