用大白话带你理解CPU指令集

指令集与机器码

无论处于上层的软件多么的高级, 想要在CPU执行, 就必须被翻译成"机器码", 翻译这个工作由编译器来执行. 编译器在这个过程中, 要经过"编译", "汇编", "链接"几个步骤, 最后生成"可执行文件". 可执行文件中保存的是二进制机器码. 这串机器码可以直接被CPU读取和执行.

软件意义上, "指令集"实际上是一个规范, 规范汇编的文件格式.
以下为一条x86汇编代码:
mov word ptr es:[eax + ecx * 8 + 0x11223344], 0x12345678

这里可以体现出指令集的格式限制:
1. 可以使用mov指令, 但它只能有2个操作数.
2. 它的操作数长度是16 (word), 不要看到后面0x12345678就认为是32位操作数.
3. 它带有段超越前缀, 这里使用了es, 还可以使用ds, cs, ss, fs, gs. 但是只能用这几个.
4. 第一个操作数是一个内存地址, 第二个是立即数. 但是, 这个内存地址不能乱写, 写成[eax+ecx*10+0x11223344]就错了.

实际上, 一条汇编指令与一段机器码是一一对应的. 上面这段汇, 可以被x86编译器翻译成几乎唯一的一段机器码:
26 66 c7 84 c8 44 33 22 11 78 56
上面提到的1,2,3,4点如果有一个弄错, 这一步就会失败.

可以看出来, 指令集的作用, 就是告诉程序员/编译器, 汇编一定要有格式. 支持什么指令, 指令带什么限制条件, 用什么操作数, 用什么地址, 都是指令集规范的内容, 要是写错了, 就无法翻译成机器码.
指令集规范汇编, 汇编可以翻译成机器码, 机器码告诉CPU每个周期去做什么. 因此, CPU指令集是描述CPU能实现什么功能的一个集合, 就是描述"CPU能使用哪些机器码"的集合".

那机器码进入到CPU后又做什么呢?
=====================编译器和CPU的分界线========================

需要被执行的机器码先要被OS调度到内存之中, 程序执行时, 机器码依次经过了Memory--Cache--CPU fetch, 进入CPU流水线, 接着就要对它进行译码了, 译码工作生成的象是CPU内部数据格式, 微码(或者类似的格式, 这个格式不同的厂商会自己设计).

这个过程画成图就是:

软件层: 汇编语言
------------------------------------------------------------------------
接口: 汇编语言所对应的机器码
------------------------------------------------------------------------
硬件层: CPU使用内部数据结构进行运算

如果机器码代表的功能是在指令集规范内的, 这条机器码就可以生产微码, 并在CPU内正常流动. 假设机器码是错误的, 是不可以通过CPU的译码阶段的, 控制电路一定会报错. 这种情况反映在Windows里往往都是蓝屏, 因为CPU无法继续执行, 它连下一条指令在哪都不知道.

那么指令集在CPU里就代表: 只有CPU指令集范围内的指令可以被成功的译码, 并送往CPU流水线后端去执行.
和常规的想法不一样, CPU不需要任何形式的存储介质去存储指令集, 因为"译码"这个步骤就是在对指令集里规范的机器码做解码. 硬件上, 译码这件事需要庞大数目的逻辑门阵列来实现.

跳出格式这个圈子来看待这个问题. 可以说, CPU执行单元的能力, 决定了指令集的范围. 比如, CPU的执行单元有能力执行16位加法, 32位加法, 64位加法, 那么指令集里一般就会有ADD 16, ADD 32, ADD 64这样的表达方式. 如果CPU的执行单元没有电路执行AVX指令, 那么指令集里一般就没有VINSERTF128这样的指令供使用. 所以, 强有力的执行单元能够提供更多的指令集.

再来看"CPU指令集在哪里"这个问题, 回答是, CPU本身就是CPU指令集. 指令集规定CPU可以做什么事, CPU就是具体做这件事的工具. 如果一定要指定一个狭义的CPU指令集的存放位置. 那就是CPU中的"译码电路".

对于指令集的电路理解

现代的CPU没拆过，我只在计算机组成原理实验课上用VHDL在某个实验平台上做过一个模拟的CPU。举个例子你可能比较好理解。
比如我们设计一套指令集，其中肯定有条加法指令。比如Add R1 R2 。我们可以认为这条指令的意思是计算寄存器R1中的内容和R2的和，然后把结果存到R1寄存器中。
那么经过编译后这条指令会变成二进制，比如010100010010 。这条二进制指令一共12位。明显可以分为三大部分。最前面的0101表示这是条加法指令，后面0001说的是第一个操作数是寄存器1，最后0010说的是第二个数就是寄存器2（其实实际没有这么简单的指令，至少应该区分操作数是寄存器还是直接的数据，但为了把这说的更容易理解作了简化）。我们可以通过十二根导线把这条指令输入一个CPU中。导线通电就是1，不通电就是0 。为了叙述方便我们从左到右用A0-A11给这12根导线编上号。
然后计算机会分析这条指令。步骤如下：

最开始的两根导线A0和A1，第一根有电第二根没电，就能知道这是一条运算指令（而非存储器操作或者跳转等指令）。那么指令将被送入逻辑运算单元（ALU）去进行计算。其实很简单。只要这两根线控制接下来那部分电路开关即可。
接下来的A2和A3，01表示加法，那么就走加法运算那部分电路，关闭减法等运算电路。
A4-A7将被送入寄存器电路，从中读取寄存器保存的值。送到ALU的第一个数据接口电路上。
后面的A8-A11同样被送入寄存器选择电路，接通R2寄存器，然后R2就把值送出来，放到ALU的第二个数据接口上。
ALU开始运算，把两个接口电路上的数据加起来，然后输出。
最后结果又被送回R1。

基本上简单的运算计算机就是这么操作的。他其实不知道你那些指令都是什么意思。具体的指令编程机器码后就会变成数字电路的开关信号。其中某几段会作为控制信号，控制其他部分的数据走不同的电路以执行运算。他没有一个地方保存着如何翻译这些机器码的字典，所有机器码的意义都被体现在整个电路的设计中了。
当然，从汇编到机器码这步是汇编程序翻译的。汇编程序当然知道某条指令要翻译成什么样的机器码。

总结

对于指令集的简单理解，它就是CPU中一堆实现各种计算的逻辑门电路，支持执行很多格式的机器码。

而指令集，就是对CPU支持的机器码格式规范的一个描述。

引用原作者的理解：

软件意义上, "指令集"实际上是一个规范, 规范汇编的文件格式。

CPU指令集是描述CPU能实现什么功能的一个集合, 就是描述"CPU能使用哪些机器码"的集合"。

本文转载于知乎：https://www.zhihu.com/question/20793038/answer/16198162

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