深入浅出之CPU原理.pdf

深入浅出之CPU 原理 一、 指令系统 要讲CPU，就必须先讲一下指令系统。指令系统指的是一个CPU 所能够处理的全部指令 的集合，是一个CPU 的根本属性。比如我们现在所用的CPU 都是采用x86 指令集的，他们都 是同一类型的CPU，不管是PIII、Athlon 或Joshua。我们也知道，世界上还有比PIII 和 Athlon 快得多的CPU，比如Alpha，但它们不是用x86 指令集，不能使用数量庞大的基于x86 指令集的程序，如Windows98。之所以说指令系统是一个CPU 的根本属性，是因为指令系统 决定了一个CPU 能够运行什么样的程序。 所有采用高级语言编出的程序，都需要翻译（编译或解释）成为机器语言后才能运行， 这些机器语言中所包含的就是一条条的指令。 1、 指令的格式 一条指令一般包括两个部分：操作码和地址码。操作码其实就是指令序列号，用来告诉 CPU 需要执行的是那一条指令。地址码则复杂一些，主要包括源操作数地址、目的地址和下 一条指令的地址。在某些指令中，地址码可以部分或全部省略，比如一条空指令就只有操作 码而没有地址码。 举个例子吧，某个指令系统的指令长度为32 位，操作码长度为8 位，地址长度也为8 位 ， 且 第 一 条 指 令 是 加 ， 第 二 条 指 令 是 减 。 当 它 收 到 一 个 “00000010000001000000000100000110”的指令时，先取出它的前8 位操作码， 分析得出这是一个减法操作，有3 个地址，分别是两个源操作数地址和一个目的地址。于是， CPU 就到内存地处取出被减数，处取出减数，送到ALU 中进行减法 运算，然后把结果送处。 这只是一个相当简单化的例子，实际情况要复杂的多。 2、 指令的分类与寻址方式 一般说来，现在的指令系统有以下几种类型的指令： (1)算术逻辑运算指令 算术逻辑运算指令包括加减乘除等算术运算指令，以及与或非异或等逻辑运算指令。现 在的指令系统还加入了一些十进制运算指令以及字符串运算指令等。 (2)浮点运算指令 用于对浮点数进行运算。浮点运算要大大复杂于整数运算，所以CPU 中一般还会有专门 负责浮点运算的浮点运算单元。现在的浮点指令中一般还加入了向量指令，用于直接对矩阵 进行运算，对于现在的多媒体和3D 处理很有用。 (3)位操作指令 学过C 的人应该都知道C 语言中有一组位操作语句，相对应的，指令系统中也有一组位 操作指令，如左移一位右移一位等。对于计算机内部以二进制不码表示的数据来说，这种操 作是非常简单快捷的。 (4)其他指令 上面三种都是运算型指令，除此之外还有许多非运算的其他指令。这些指令包括：数据 传送指令、堆栈操作指令、转移类指令、输入输出指令和一些比较特殊的指令，如特权指令、 多处理器控制指令和等待、停机、空操作等指令。 对于指令中的地址码，也会有许多不同的寻址（编址）方式，主要有直接寻址，间接寻 址，寄存器寻址，基址寻址，变址寻址等，某些复杂的指令系统会有几十种甚至更多的寻址 方式。 3、 CISC 与RISC CISC ，Complex Instruction Set Computer，复杂指令系统计算机。RISC，Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机。虽然这两个名词是针对计算机的，但下 文我们仍然只对指令集进行研究。 (1)CISC的产生、发展和现状 一开始，计算机的指令系统只有很少一些基本指令，而其他的复杂指令全靠软件编译时 通过简单指令的组合来实现。举个最简单的例子，一个a 乘以b 的操作就可以转换为a 个b 相加来做，这样就用不着乘法指令了。当然，最早的指令系统就已经有乘法指令了，这是为 什么呢？因为用硬件实现乘法比加法组合来得快得多。 由于那时的计算机部件相当昂贵，而且速度很慢，为了提高速度，越来越多的复杂指令 被加入了指令系统中。但是，很快又有一个问题：一个指令系统的指令数是受指令操作码的 位数所限制的，如果操作码为8 位，那么指令数最多为256 条（2 的8 次方）。 那么怎么办呢？指令的宽度是很难增加的，聪明的设计师们又想出了一种方案：操作码扩展。 前面说过，操作码的后面跟的是地址码，而有些指令是用不着地址码或只用少量的地址码的。 那么，就可以把操作码扩展到这些位置。 举个简单的