指令系统结构ISA-CA

指令系统

定义

指令系统是计算机功能的抽象模型（不仅仅是关于指令功能的编码）
> 是软硬件的界面，所有软件最终都以指令的形式运行
> 体现了结构设计者对应用的深刻理解
> 一个指令系统可以有多种实现（低功耗、高性能、软件模拟…）

作用

（承上启下）是软硬件的交互接口

重要性

计算机产业的枢纽，产业生态的基础
①指令系统是计算机软硬件的重要标准：
-决定应用程序的二进制兼容（Wintel和AA都做到）
-是操作系统二进制兼容（Wintel做到、AA没做到）的重要因素
②指令系统影响系统性能和实现复杂性等:
-如RISC/CISC，32位/64位，媒体指令，向量指令等
-微结构对系统复杂性影响更大

国际主流指令系统

（1）三大主流指令系统：X86、ARM、MIPS
-X86：每年几亿片，垄断PC和服务器市场，虽受到ARM的一些威胁，但桌面的垄断地位难以动摇，并通过凌动阻止ARM向高端渗透
-ARM：每年50-100亿片，在手持终端市场处于垄断地位，成功侵蚀MIPS的数字电视、机顶盒等市场，试图在云服务器等领域与X86竞争
-MIPS：每年5-10亿片，在传统市场如打印机、网络等仍有一定势力

（2）其他指令系统
-PowerPC：在汽车电子、工控、服务器领域还有一线生机
-Alpha、PA-RISC、Sparc、IA64主流市场机会不大
-RISC-V（开源指令集）：想成为CPU中的Linux，道阻且长，巨头联手逼向低端MCU

发展

（1）历史发展历程
-X86位宽从8位、16位、32位、64位不断发展
-功能从只支持定点、到浮点、到媒体指令、到向量指令
-向量指令又经历了MMX、SSE、SSE2、SSE3、SSE4、AVX等
（2）对指令发展新的要求
-多核结构要求指令增加对多核同步、通信和数据一致性的支持
-向量部件需要指令系统增加专门的向量指令
-媒体类应用要求指令系统增加对媒体编解码的专门支持
-云计算要求指令系统增加对虚拟机的支持；等等

自主软硬件需求自主指令系统

（1）现状
①国外垄断企业设置了严密的知识产权壁垒，主要体现在包括指令系统在内的各类接口中
②目前IT产业正从单极化向多极化发展，要抓住机遇。目前自主软硬件推进效果明显，但我国软硬件力量过于薄弱，通过统一的自主指令系统可以迅速形成合力

（2）自主指令系统发展的可行路径
①先兼容后自主
-与国外指令兼容（MIPS、RISC等），在此基础上自主发展
-“可控”权：自主扩展和自主再授权
-“对等”权：协商扩展和反向授权
②先自主后兼容
-通过二进制翻译方式，运行主流指令系统的软件
-如Transmeta，IA64上运行IA32程序等
-Intel推出的基于X86的智能手机能运行Android上ARM的应用
③二者结合
-如基于MIPS/RISC5，并通过扩展实现对X86和ARM的兼容

（3）指令系统示意图

指令系统的设计

指令系统在计算机中的位置

①软硬件的界面；
②反映了结构设计者对计算机系统的认识；

设计原则

-兼容性：对软件的包容性，长时间保持不变，如X86
-通用性：对软件的易用性，编译器和程序员觉得好用
-高效性：对硬件的易用性，便于CPU设计优化和不同性能的实现
-安全性：对软硬件安全的支持，支持通用操作系统，考虑不同的安全要求

影响指令系统设计的因素：

（1）工艺技术
①. 早期的硬件昂贵，指令系统设计主要考虑如何减少硬件；
②. 集成度的提高（TLB、从32位到64位、SIMD媒体运算）；
③. 现在如何发挥存储层次的效率，如何利用芯片面积；
-CPU与存储器的速度差距，指令系统应能较好地利用存储层次，如通过并行或流水容忍延迟（Cache管理指令、预取指令）
-工艺进一步发展，主频极限和功耗问题引起的多核结构需要特殊指令支持（多线程管理和同步）

（2）系统结构
-指令系统本身是系统结构发展的结果，如：从16位、到32位、到64位；SIMD指令、从单核到多核等
-指令系统的兼容性要求与系统结构发展的矛盾关系：
尽量不改变指令系统的前提下提高性能，如流水、多发射等
尽量保持兼容，如Intel的做法
-增加指令功能还是提高主频？（RISC vs. CISC vs. VLIW）
-并行性： SIMD、向量、多发射（兼容性好）

（3）操作系统
-操作系统专用的核心态指令和运行环境；
-多进程支持、虚空间：（页表与TLB的关系；页保护：读写权限）
-系统安全等级：（核心态和用户态管理）
-异常和中断处理（异常处理入口、ERET指令等）
-访存和访问I/O的区别；
-虚拟机：（支持多操作系统的快速切换）

（4）编译技术与程序设计语言
-指令是编译器的工作结果
早期的指令系统主要考虑如何便于编程