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指令系统设计原则

简介: 《基础系列》
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指令系统是软硬件的接口,程序员根据指令系统设计软件,硬件设计人员根据指令系统实现硬件。指令系统稍微变化,一系列软硬件都会受到影响,所以指令系统的设计应遵循如下基本原则:

  • 兼容性。这是指令系统的关键特性。最好能在较长时间内保持指令系统不变并保持向前兼容,例如X86指令系统,虽然背了很多历史包袱,要支持过时的指令,但其兼容性使得Intel在市场上获得了巨大的成功。很多其他指令系统进行过结构上的革命,导致新处理器与旧有软件无法兼容,反而造成了用户群体的流失。因此,保持指令系统的兼容性非常重要。
  • 通用性。为了适应各种应用需求,如网络应用、科学计算、视频解码、商业应用等,通用CPU指令系统的功能必须完备。而针对特定应用的专用处理器则不需要强调通用性。指令系统的设计还应满足操作系统管理的需求并方便编译器和程序员的使用。
  • 高效性。指令系统还要便于CPU硬件的设计和优化。对同一指令系统,不同的微结构实现可以得到不同的性能,既可以使用先进、复杂的技术得到较高的性能,也可以用成熟、简单的技术得到一般的性能。
  • 安全性。当今计算机系统的安全性非常重要,指令系统的设计应当为各种安全性提供支持,如提供保护模式等。

影响指令系统的因素有很多,某些因素的变化会显著影响指令系统的设计,因此有必要了解各方面的影响因素。

  • 工艺技术。在计算机发展的早期阶段,计算机硬件非常昂贵,简化硬件实现成为指令系统的主要任务。到了20世纪八九十年代,随着工艺技术的发展,片内可集成晶体管的数量显著增加,CPU可集成更多的功能,功能集成度提高带来的更多可能性支持指令系统的快速发展,例如从32位结构上升至64位结构以及增加多媒体指令等。随着CPU主频的快速提升,CPU速度和存储器速度的差距逐渐变大,为了弥补这个差距,指令系统中增加预取指令将数据预取到高速缓存(Cache)甚至寄存器中。当工艺能力和功耗密度导致CPU主频达到一定极限时,多核结构成为主流,这又导致指令系统的变化,增加访存一致性和核间同步的支持。一方面,工艺技术的发展为指令系统的发展提供了物质基础;另一方面,工艺技术的发展也对指令系统的发展施加影响。
  • 计算机体系结构。指令系统本身就是计算机体系结构的一部分,系统结构的变化对指令系统的影响最为直接。诸如单指令多数据(Single Instruction Multiple Data,简称SIMD)、多核结构等新的体系结构特性必然会对指令系统产生影响。事实上,体系结构的发展与指令系统兼容性的基本原则要求是矛盾的,为了兼容性总会背上历史的包袱。X86指令系统和硬件实现就是因为这些历史包袱而变得比较复杂,而诸如PowerPC等精简指令系统都经历过彻底抛弃过时指令系统的过程。
  • 操作系统。现代操作系统都支持多进程和虚拟地址空间。虚拟地址空间使得应用程序无须考虑物理内存的分配,在计算机系统发展中具有里程碑意义。为了实现虚拟地址空间,需要设计专门的地址翻译模块以及与其配套的寄存器和指令。操作系统所使用的异常和中断也需要专门的支持。操作系统通常具有核心态、用户态等权限等级,核心态比用户态具有更高的等级和权限,需要设计专门的核心态指令。核心态指令对指令系统有较大的影响,X86指令系统一直在对核心态指令进行规范,MIPS指令系统直到MIPS32和MIPS64才对核心态进行了明确的定义,而Alpha指令系统则通过PALcode定义了抽象的操作系统与硬件的界面。
  • 编译技术。编译技术对指令系统的影响也比较大。RISC在某种意义上就是编译技术推动的结果。为使编译器有效地调度指令,至少需要16个通用寄存器。指令功能对编译器更加重要,例如一个指令系统没有乘法指令,编译器就只能将其拆成许多个加法进行运算。
  • 应用程序。计算机中的各种应用程序都实现一定的算法,指令是从各种算法中抽象出来的“公共算子”,算法就是由算子序列组成的。指令为应用而设计,因而指令系统随着应用的需求而发展。例如从早期的8位、16位到现在的32位、64位,从早期的只支持定点到支持浮点,从只支持通用指令到支持SIMD指令。此外,应用程序对指令系统的要求还包括前述的兼容性。

总之,指令系统需遵循的设计原则和影响因素很多,指令系统的设计需要综合考虑多方因素并小心谨慎。

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