指令系统

基本概念

指令系统（ISA）是一台计算机能够直接识别并执行的机器指令的集合。

指令系统是软硬件的分界面，

软件：应用程序
软件：编程（语言）
软件：操作系统/虚拟机
--指令系统（ISA）--
硬件：微体系结构
硬件：功能部件
硬件：元器件及电路

分类

主要分为X86、ARM和MIPS。

使用同一指令系统的计算机硬件实现可以不同，如：Intel和AMD都采用X86指令系统。

使用相同指令系统的软件是可以兼容的。

设计原则

1. 可编程性（Programmability） -- 软件

• 简单、高效的编程
• 程序员、编译器

2. 可实现性（Implementability） -- 硬件

• 容易设计出高性能计算机
• 架构师
• 低功耗、高可靠、低成本

3. 兼容性（Compatibility） -- 用户

• 兼容性包括向上（向前）与向下（向后）兼容

设计要素

1. 指令格式

• 定长：指令规整，控制简单
• 变长：节省指令空间，控制复杂
• 编码

2. 操作数存储位置、类型、长度、个数
3. 寻址方式

• 操作数
• 立即数
• 间接寻址

4. 操作类型

• add、sub、mul、move、compare...

结构分类

1. 主存

add A, B, C // mem[A] = mem[B] + mem[C]

2. 累加器

load B  // ACC = mem[B]
add C   // ACC = ACC + mem[C]
store A // mem[A] = ACC

3. 堆栈

push B // stk[TOS++] = mem[B]
add    // stk[TOS++] = stk[--TOS] + stk[--TOS]
pop A  // mem[A] = stk[--TOPS]

4. 通用寄存器组

• 寄存器-存储器结构（RM）

load B, R1 // R1 = mem[B]
add C, R1  // R1 = R1 + mem[C]

• 寄存器-寄存器结构（RR）

store R1, A // mem[A] = R1
load B, R1  // R1 = mem[B]