码农的自我修养 - 指令集架构种类

指令集架构instruction set architecture (ISA)，这是一个电脑模型的概括，有时也叫做计算机架构。

ISA的具体实现有很多种，下面会介绍。不同的ISA实现在性能、物理空间和硬件成本上都不同。

ISA服务于硬件和软件之间的接口，基于某个ISA实现的软件可以在同一ISA的不同硬件上。

这就是在不同计算机上的二进制兼容功能，计算机可以一代代升级，而软件都能兼容运行。

所以，ISA是当今计算机里最重要的一个抽象概念。

ISA提供了机器语言编程所需的一切。但不同ISA实现的内容可能并不相同。

比如，数据类型、寄存器列表、寻址方式等。

下面列举一些ISA的主要方面：

1，Base / 进制

计算机最早时有用二进制，十进制，甚至还有三进制的。

当代的计算机几乎都是二进制。Contemporary computers are almost exclusively binary.

2，Bits / 位数

CPU处理的一个单位是一个word（字）。

一个字的长度主要有8，16，32或64位。也有其他位数的计算机出现过。

3，Operands / 操作数

操作数个数是一个指令集和性能有关的方面。

比如支持三个操作数的架构：

A = B + C

可以直接在一条指令集计算。

如果两个操作数的架构：

A = A + B

所以要计算两个数相加赋值给第三个数，就需要两条指令：

A = B

A = A + C

4，Endianness / 字节顺序或大小端

一个指令集可以选择大端或小端，或者都有，或者可配置的。

小端处理器在内存中的字节顺序，是多字节的数值，低有效位字节在低地址位。

大端则相反。

x86架构是小端的。

大部分的RISC精简指令集电脑（PowerPC，MIPS等）本来是大端的，而ARM是小端的。

目前更多的架构是两种模式都可配置的，比如ARM就可以。

当然，对于大小端的区别，只适用于那些允许单字节寻址的处理器，还要基本寻址的机器字大小要超过一个字节。

5，寄存器数目

一般寄存器的数目是2的指数，比如8，16，32。

有些情况下，还有一个硬件实现的值为0的伪寄存器，方便使用，提高效率。

有一些特殊寄存器，比如Program pointer / PC，指令寄存器。

处理器访问内存的模式，比如8051是load -store，先读取内存的值到寄存器，操作完后，将寄存器的结果写入内存地址，不是直接操作内存。

而x86是可以直接按地址对内存进行操作。

Architecture	Bits	Design	Max Operands	Registers Number	Instruction Encoding	Endianness
8080	8	CISC	2	8	Variable (1 to3 bytes)	Little
8051	32 (8→32)	CISC	1	32 in 4-bit 16 in 8-bit 8 in 16-bit 4 in 32-bit	Variable (1 to3 bytes)	Little
x86/x86-64	16,32,64	CISC	2-4		Variable	Little
AVR	8	RISC	2	32	Variable	Little
AVR32	32	RISC	2-3	15	Variable	Big
MIPS	32->64	RISC	1-3	4-32	Fixed(32-bit)	Big or Little
PowerPC	32->64	RISC	3	32	Fixed(32-bit)	Big or Little
Thumb/T32	32	RISC	3	7 with 16-bit Thumb instructions; 15 with 32-bit Thumb-2 instructions	Thumb: Fixed (16-bit), Thumb-2: Variable (16- and 32-bit)	Big or Little
ARM/A32	32	RISC	3	15	Fixed(32-bit)	Big or Little
ARM64/A64	64	RISC	3	32	Fixed(32-bit)	Big or Little
。。。。。。

一般商用服务器，跑的是RISC的系统，CPU只执行最常用的那部分指令，稳定性更好。比如IBM的PowerPC，Intel的安腾(Itanium)处理器(64bit, EPIC: Explicitly Parallel Instruction Computer架构)，不过安腾昙花一现而已。

x86_64介绍

x86是指intel的开发的一种32位指令集，从386时代开始的，一直沿用至今，是一种cisc指令集，所有intel早期的cpu，amd早期的cpu都支持这种指令集，intel官方文档里面称为“IA-32”

　　x84_64是x86 CPU开始迈向64位的时候，有2选择：

（1）向下兼容x86。但反过来，32bit的CPU上运行64bit的软件是不可以的。

（2）完全重新设计指令集，不兼容x86。

　　AMD抢跑了，比Intel率先制造出了商用的兼容x86的CPU，AMD称之为AMD64，抢了64位PC的第一桶金，得到了用户的认同。

　　Intel选择了设计一种不兼容x86的全新64为指令集，称之为IA-64（这玩意似乎就是安腾），但是比amd晚了一步，而且IA-64也挺惨淡的，因为是全新设计的CPU，没有编译器，也不支持windows（微软把intel给忽悠了，承诺了会出安腾版windows server版，但是迟迟拿不出东西）。后来不得不在时机落后的情况下也开始支持AMD64的指令集，但是换了个名字，叫x86_64，表示是x86指令集的64扩展，大概是不愿意承认这玩意是AMD设计出来的。

　　实际上，x86_64、x64、AMD64基本上是同一个东西，我们现在用的intel/amd的桌面级CPU基本上都是x86_64，与之相对的arm、ppc等都不是x86_64。

　　x86、x86_64主要的区别就是32位和64位的问题，x86中只有8个32位通用寄存器，eax,ebx,ecx，edx, ebp, esp, esi, edi。

　　x86_64把这8个通用寄存器扩展成了64位的，并且比x86增加了若干个寄存器（好像增加了8个，变成了总共16个通用寄存器）。同样的MMX的寄存器的位数和数量也进行了扩展。此外cpu扩展到64位后也能支持更多的内存了，等等许多好处。

　　对于普通程序来说，CPU位数的扩展、寄存器数量的增加不会带来明显的性能提升，比如IE浏览器、Office办公这类的软件。特定的程序很能够充分利用64位CPU、更多的寄存器带来的优势，比如MMX除了能提升多媒体程序的性能，对矩阵、多项式、向量计算都能带来提升，更多的MMX寄存器、更大的寄存器字长都有利于SIMD指令的执行，能够提升CPU对数据的吞吐量（RISC指令集的CPU动不动就有数百个寄存器，可以有效的缓存中间计算结果，不需要把中间结果写入内存，从而减少内存访问次数，显著提升性能）

最后说重点，64bit相比32bit的性能优势：

这里不考虑64bit硬件上运行32bit软件的这种过度方式。

从架构上来说，64bit拥有64bit 的register和64bit的bus，在数据传输效率上比32bit要高不少；

另外，64bit地址总线的寻址空间突破了4G的限制。

所以，对于大内存，密集数据运算的应用场景，64bit的优势是非常明显的。网上有一些benchmark，这里不贴了。

但是，对于小内存系统，64bit的CPU在某些状况下可能比32bit CPU的效率更低。

因为64 bit的CPU的地址是64位的，指针是64位的，编译生成的二进制文件更大，运行时占用的内存更多;另一方面，因为64位地址的问题，cache中能存放的指令就更少，所以更容易导致cache的miss。

所以在某些应用场景，64 bit CPU的更大的寻址空间，更快的数据传递，更快的浮点运算的特性，与其64 bit的地址/指针所导致的cache miss的特性，始终并存。

为了充分利用64的优势，又避免64bit地址导致的cache miss的问题，Intel提出了x32 ABI的概念。

x32不是一个ARCH，是一个ABI。

x32可以充分的使用64 bit硬件的64 bit寄存器，64bit总线，以及64bit新增的指令，从而获得更快的数据处理速度。

同时x32又使用32bit的地址/pointer，32bit的C数据类型，因此cache miss并不会增加。

x32是一个ABI，其设计到的部分包括：kernel的support，toolchain的support，system lib的support。现在kernel(from 3.4)和toolchain的support都已经OK。

注：

1，x86-64 (also known as x64, x86_64, AMD64, and Intel 64) is a 64-bit version of the x86 instruction set, first released in 1999. It introduced two new modes of operation, 64-bit mode and compatibility mode, along with a new 4-level paging mode.

2，AArch64 or ARM64 is the 64-bit extension of the ARM architecture. ARMv8-A Platform with Cortex A57/A53 MPCore BIG.LITTLE CPU chip.

3，MPcore means main processor core.

4，x86系列都有向后兼容设计，所以x86 32-bit的程序可以在x86-64上运行，但反过来不可以。类似的，ARM32程序也可以在ARM64上运行，但具体过程会复杂些，反过来也不行。

5，ARMv8-A系列的芯片是ARM64的。

参考网址：

https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_instruction_set_architectures

https://en.wikipedia.org/wiki/ARM_architecture

CPU知识了解：关于x86、x86_64/x64、amd64和arm64/aarch64 - 古兰精 - 博客园

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