第四章：处理器体系结构

"现代微处理器可以称得上是人类创造出的最复杂的系统之一"

这篇blog并不是像其他章节那样整理了我在《CSAPP》中学习到的内容，而是整理了一些有关计算机处理器体系结构的简单知识。（其实就是水文一篇。。。）具体原因还请我徐徐道来。

首先，因为本章的内容隶属于计算机组成原理（计算机体系结构）的范畴，而这一板块又是十分的复杂，可以当作一门新的课程，所以这里我并未整理，日后有机会我会填上这个坑的。

其次，书中主要以Y86-64为讲解的指令集架构，但它不是一个商业可用的指令集架构，意味着你学了之后基本上没有实用价值，另外，Y86-64 的设计并不优雅，不是特别值得学习。

不过也不要浪费了这一板块吧
整理一下当前常见的指令集架构

• x86
• ARM
• MIPS
• RISC-V
• LoongArch

4.1 RISC 和 CISC

• RISC（精简指令集计算机）
• CISC（复杂指令集计算机）

随着技术的发展，RISC和CISC的界限逐渐模糊。现代处理器通常结合两者的优点，例如x86架构通过微指令将复杂指令分解为简单操作，而RISC架构也引入了复杂指令以提高效率。RISC-V等开源架构的兴起，进一步推动了RISC架构的发展和应用。

4.1.1 RISC（Reduced Instruction Set Computer）

设计理念：

• 简化指令集：RISC架构的核心思想是减少指令集的复杂性，每条指令执行一个简单的操作，指令长度固定，格式统一。
• 硬件简化：通过简化指令集，硬件设计可以更加精简，减少晶体管数量，提高时钟频率。
• 流水线优化：RISC架构通常采用深度流水线设计，以提高指令执行效率。
• 寄存器丰富：RISC处理器通常有较多的通用寄存器，减少对内存的访问，提高执行速度。

优点：

• 高性能：由于指令简单且执行速度快，RISC处理器在相同工艺下通常能实现更高的时钟频率。
• 低功耗：硬件简化使得功耗较低，适合移动设备和嵌入式系统。
• 易于优化：编译器可以更容易地优化代码，提高执行效率。

缺点：

• 代码密度低：由于指令简单，完成复杂操作需要更多指令，导致代码体积较大。
• 软件复杂度高：编译器需要生成更多指令来完成复杂操作，增加了编译器的设计难度。

典型代表：

• ARM架构：广泛应用于移动设备、嵌入式系统。
• MIPS架构：用于网络设备、嵌入式系统。
• RISC-V：开源指令集架构，逐渐受到关注。

4.1.2 CISC（Complex Instruction Set Computer）

设计理念：

• 复杂指令集：CISC架构的指令集包含多种复杂指令，一条指令可以完成多个操作，指令长度和格式不固定。
• 硬件复杂：为了实现复杂指令，CISC处理器的硬件设计较为复杂，晶体管数量较多。
• 内存访问：CISC架构倾向于减少指令数量，通过复杂指令减少对内存的访问。

优点：

• 代码密度高：复杂指令可以减少指令数量，代码体积较小。
• 软件简化：编译器设计相对简单，因为复杂指令可以直接完成高级语言中的操作。

缺点：

• 性能瓶颈：复杂指令的执行时间较长，可能导致流水线停顿，影响性能。
• 高功耗：硬件复杂导致功耗较高，不适合低功耗场景。
• 设计复杂：硬件设计复杂，增加了设计和验证的难度。

典型代表：

• x86架构：广泛应用于个人电脑、服务器。
• VAX架构：历史上用于小型机。

4.2 x86

x86是一种广泛使用的处理器架构，最初由英特尔（Intel）设计，主要用于个人电脑（PC）、服务器和嵌入式系统。x86 架构属于 CISC（复杂指令集计算机） 设计，其名称来源于早期 Intel 处理器型号的命名规则（如 8086、80286、80386 等）。

4.2.1 历史背景

• 1978年：Intel 推出了第一款 16 位处理器 8086，标志着 x86 架构的诞生。
• 1980年代：x86 架构逐渐成为 PC 市场的主流，IBM PC 采用了 Intel 8088（8086 的简化版），进一步推动了 x86 的普及。
• 1985年：Intel 推出了 32 位处理器 80386，引入了保护模式和多任务支持。
• 1990年代：x86 架构扩展到服务器市场，AMD 和 Cyrix 等公司也开始生产兼容 x86 的处理器。
• 2000年代：Intel 和 AMD 推出了 64 位扩展（x86-64），使 x86 架构支持更大的内存和更高的性能。
• 现代：x86 架构仍然是 PC 和服务器市场的主导架构，同时也在嵌入式系统和云计算中广泛应用。

4.2.2 x86 架构的特点

（1）CISC 设计

• x86 是一种典型的 CISC 架构，指令集复杂且多样化。
• 单条指令可以完成多个操作，例如内存访问、算术运算和逻辑运算。
• 指令长度可变（1 到 15 字节），格式灵活。

（2）寄存器

• 早期的 x86 处理器（如 8086）有 8 个 16 位通用寄存器：
  • AX、BX、CX、DX（数据寄存器）
  • SI、DI（索引寄存器）
  • BP、SP（指针寄存器）
• 32 位 x86 架构（如 80386）扩展了寄存器到 32 位（EAX、EBX 等）。
• 64 位 x86 架构（x86-64）进一步扩展了寄存器到 64 位（RAX、RBX 等），并增加了更多的通用寄存器（R8-R15）。

（3）内存寻址模式

• x86 支持多种内存寻址模式，包括：
  • 直接寻址
  • 寄存器间接寻址
  • 基址加变址寻址
  • 带偏移量的寻址
• 32 位和 64 位架构支持虚拟内存和分页机制。

（4）工作模式

• 实模式：早期 16 位模式，直接访问物理内存，无内存保护。
• 保护模式：32 位模式，支持虚拟内存、多任务和内存保护。
• 长模式：64 位模式（x86-64），支持更大的地址空间和更高的性能。

（5）指令集

• x86 指令集包含数百条指令，涵盖算术运算、逻辑运算、控制流、字符串操作等。
• 现代 x86 处理器还支持扩展指令集，如：
  • MMX：多媒体扩展指令集。
  • SSE（Streaming SIMD Extensions）：单指令多数据流扩展。
  • AVX（Advanced Vector Extensions）：高级向量扩展。
  • FMA（Fused Multiply-Add）：融合乘加指令。

（6）兼容性

x86 架构以其向后兼容性著称。现代 64 位 x86 处理器仍然可以运行早期的 16 位和 32 位程序。

4.2.3 x86 架构的演变

（1）16 位时代

• 8086/8088：16 位处理器，地址总线 20 位，支持 1MB 内存。
• 80286：引入保护模式，支持虚拟内存和多任务。

（2）32 位时代

• 80386：首个 32 位 x86 处理器，支持 4GB 内存和分页机制。
• 80486：集成浮点运算单元（FPU），性能大幅提升。
• Pentium 系列：引入超标量架构和流水线技术，支持多指令并行执行。

（3）64 位时代

• x86-64（AMD64）：由 AMD 提出，Intel 后来采用（称为 Intel 64）。
  • 支持 64 位地址空间，理论最大内存支持为 2^64 字节。
  • 增加了更多的通用寄存器和改进的指令集。
• Intel Core 系列：引入多核技术和超线程技术，进一步提升性能。

（4）现代 x86 处理器

• Intel：Core i3/i5/i7/i9、Xeon（服务器）、Atom（低功耗）。
• AMD：Ryzen、EPYC（服务器）、Athlon。

4.2.4 x86 架构的优势

• 广泛兼容性：支持从 16 位到 64 位的软件，生态系统成熟。
• 高性能：现代 x86 处理器通过多核、超线程、SIMD 等技术实现高性能。
• 丰富的软件生态：操作系统（Windows、Linux）、开发工具和应用程序都高度支持 x86。

4.2.5 x86 架构的挑战

• 功耗问题：x86 处理器的功耗较高，不适合超低功耗场景（如物联网设备）。
• 复杂性：CISC 设计导致处理器硬件复杂，设计和验证成本高。

4.2.6 x86 的应用领域

• 个人电脑：x86 是 PC 市场的主流架构。
• 服务器和数据中心：x86 处理器（如 Intel Xeon 和 AMD EPYC）广泛应用于云计算和大数据领域。
• 嵌入式系统：部分低功耗 x86 处理器用于工业控制和嵌入式设备。
• 游戏主机：例如 PlayStation 和 Xbox 使用定制化的 x86 处理器。

4.3 ARM

ARM（Advanced RISC Machine） 是一种基于 RISC（精简指令集计算机） 设计的处理器架构，以其高效能、低功耗和灵活性著称。ARM 架构广泛应用于移动设备、嵌入式系统、物联网（IoT）和服务器等领域。以下是 ARM 架构的详细介绍：

4.3.1. 历史背景

• 1980年代：ARM 架构由 Acorn Computers 公司开发，最初用于其个人电脑（如 BBC Micro）。
• 1985年：首款 ARM 处理器 ARM1 问世，采用 RISC 设计理念。
• 1990年：ARM 公司（Advanced RISC Machines Ltd）成立，专注于处理器架构的授权。
• 1990年代：ARM 处理器在移动设备和嵌入式系统中逐渐流行。
• 2000年代：ARM 成为智能手机和平板电脑的主流架构。
• 2010年代：ARM 扩展到服务器、物联网和高性能计算领域。
• 现代：ARM 架构在移动设备市场占据主导地位，并逐渐渗透到 PC 和服务器市场。

4.3.2 ARM 架构的特点

（1）RISC 设计

• ARM 是一种典型的 RISC 架构，指令集简单且高效。
• 指令长度固定（通常为 32 位或 16 位），格式统一。
• 单条指令执行一个简单操作，复杂操作通过多条指令完成。

（2）寄存器

• ARM 架构有 16 个 32 位通用寄存器（R0-R15）。
  • R13 通常用作堆栈指针（SP）。
  • R14 用作链接寄存器（LR），用于存储返回地址。
  • R15 用作程序计数器（PC）。
• 部分 ARM 处理器还支持浮点寄存器和 SIMD 寄存器。

（3）指令集

• ARM 指令集：32 位指令集，支持丰富的算术、逻辑和控制流操作。
• Thumb 指令集：16 位指令集，用于减少代码体积，提高代码密度。
• Thumb-2 指令集：结合 16 位和 32 位指令，兼顾代码密度和性能。
• AArch64 指令集：64 位指令集，支持更大的地址空间和更高的性能。

（4）工作模式

• ARM 处理器支持多种工作模式，包括：
  • 用户模式：普通程序运行的模式。
  • 特权模式：用于操作系统内核和异常处理。
  • 异常模式：用于处理中断、异常和系统调用。

（5）低功耗设计

• ARM 架构以低功耗著称，适合电池供电的移动设备和嵌入式系统。
• 采用多种节能技术，如动态电压频率调节（DVFS）和睡眠模式。

（6）可扩展性

• ARM 架构支持多种扩展指令集，如：
  • NEON：SIMD 扩展，用于加速多媒体和信号处理。
  • VFP：浮点运算扩展。
  • TrustZone：安全扩展，用于实现硬件级安全隔离。

4.3.3 ARM 架构的演变

（1）早期 ARM 架构

• ARM1：首款 ARM 处理器，采用 32 位 RISC 设计。
• ARM6/ARM7：广泛应用于嵌入式系统和早期移动设备。

（2）ARMv4 到 ARMv7

• ARMv4：引入 Thumb 指令集，支持 16 位指令。
• ARMv5：增强 DSP 和 Java 加速功能。
• ARMv6：引入 SIMD 和 TrustZone 安全扩展。
• ARMv7：支持 Thumb-2 指令集和高级 SIMD（NEON）。

（3）ARMv8 架构

• AArch64：引入 64 位指令集，支持更大的地址空间和更高的性能。
• AArch32：兼容 32 位 ARMv7 指令集。
• ARMv8.1 到 ARMv8.5：引入虚拟化扩展、加密扩展和性能优化。

（4）ARMv9 架构

• 2021 年发布：引入 SVE2（可扩展向量扩展 2）和机密计算功能。
• 专注于 AI、机器学习和高性能计算。

4.3.4 ARM 架构的优势

• 低功耗：ARM 处理器以低功耗著称，适合移动设备和嵌入式系统。
• 高性能：通过多核、SIMD 和 64 位架构实现高性能。
• 灵活性：ARM 架构支持多种指令集和扩展，适应不同应用场景。
• 生态系统：ARM 拥有丰富的软件和工具链支持。

4.3.5 ARM 架构的挑战

• 性能瓶颈：在传统高性能计算领域，ARM 仍需追赶 x86。
• 软件兼容性：部分传统软件需要移植或优化才能在 ARM 上运行。

4.3.6 ARM 的应用领域

• 移动设备：智能手机和平板电脑（如苹果 A 系列、高通骁龙）。
• 嵌入式系统：工业控制、汽车电子和家用电器。
• 物联网（IoT）：低功耗传感器和智能设备。
• 服务器和数据中心：ARM 服务器处理器（如 Ampere Altra）。
• 高性能计算：基于 ARM 的超级计算机（如富士通 Fugaku）。

4.4 MIPS

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages） 是一种基于 RISC（精简指令集计算机） 设计的处理器架构，由斯坦福大学的团队在 1980 年代开发。MIPS 架构以其简洁性、高效性和可扩展性著称，广泛应用于嵌入式系统、网络设备、消费电子和高性能计算领域。

4.4.1 历史背景

• 1981年：MIPS 项目在斯坦福大学启动，由 John Hennessy 领导。
• 1984年：MIPS Computer Systems 公司成立，致力于商业化 MIPS 架构。
• 1985年：首款 MIPS 处理器 R2000 发布。
• 1990年代：MIPS 处理器在图形工作站、游戏主机（如 PlayStation）和嵌入式系统中广泛应用。
• 2000年代：MIPS 架构在网络设备（如路由器）和消费电子（如数字电视）中占据重要地位。
• 2010年代：MIPS 公司被多次收购，最终由 Wave Computing 接管，后转向开源。
• 现代：MIPS 架构在嵌入式系统和特定领域（如网络设备）中仍有应用，但面临 ARM 和 RISC-V 的竞争。

4.4.2 MIPS 架构的特点

（1）RISC 设计

• MIPS 是一种典型的 RISC 架构，指令集简单且高效。
• 指令长度固定（32 位），格式统一。
• 单条指令执行一个简单操作，复杂操作通过多条指令完成。

（2）寄存器

• MIPS 架构有 32 个 32 位通用寄存器（0−31）。
  • $0 是硬编码的零寄存器，读取时始终返回 0。
  • $31 通常用作返回地址寄存器（RA）。
• 部分 MIPS 处理器还支持浮点寄存器和协处理器寄存器。

（3）指令集

• MIPS I：基础指令集，支持整数运算、逻辑运算和控制流操作。
• MIPS II：增加了一些新指令，如条件移动和原子操作。
• MIPS III：引入 64 位指令集，支持更大的地址空间和更高的性能。
• MIPS IV：增强浮点运算和 SIMD 支持。
• MIPS V：引入新的浮点指令和多媒体扩展。
• MIPS32/MIPS64：现代 MIPS 指令集，分别支持 32 位和 64 位操作。

（4）流水线设计

• MIPS 架构采用经典的 5 级流水线设计：

  • 取指（IF）：从内存中读取指令。
  • 译码（ID）：解码指令并读取寄存器。
  • 执行（EX）：执行算术或逻辑操作。
  • 访存（MEM）：访问内存（如加载或存储数据）。
  • 写回（WB）：将结果写回寄存器。

• 流水线设计提高了指令执行效率。

（5）内存寻址模式

• MIPS 支持简单的内存寻址模式，主要包括：
  • 寄存器间接寻址。
  • 基址加偏移量寻址。

（6）异常和中断处理

• MIPS 架构支持硬件中断和异常处理。
• 异常处理通过异常程序计数器（EPC）和状态寄存器（SR）实现。

4.4.3 MIPS 架构的演变

（1）早期 MIPS 架构

• R2000：首款商用 MIPS 处理器，支持 32 位指令集。
• R3000：改进流水线设计，广泛应用于图形工作站。

（2）MIPS III 架构

• R4000：首个 64 位 MIPS 处理器，支持更大的地址空间和更高的性能。

（3）MIPS32/MIPS64 架构

• MIPS32：32 位指令集，适用于嵌入式系统。
• MIPS64：64 位指令集，适用于高性能计算和网络设备。

（4）现代 MIPS 架构

• MIPS Release 6：最新的 MIPS 指令集，引入新指令和优化。
• 开源 MIPS：Wave Computing 将 MIPS 架构开源，推动其发展。

(5)停止开发

• 2018年12月，MIPS架构的新所有者Wave Computing宣布MIPS ISA将在一个名为MIPS开放计划的项目中开源。该计划旨在开放对32位和64位设计的最新版本的访问，使其无需任何许可或版税即可使用，并授予参与者现有MIPS专利的许可
• 2021年3月，WaveComputing宣布停止MIPS架构的开发。该公司已加入RISC-V基金会，未来的处理器设计将基于RISC-V架构

4.4.4 MIPS 架构的优势

• 简洁性：MIPS 架构设计简单，易于实现和优化。
• 高效性：流水线设计和固定长度指令集提高了执行效率。
• 可扩展性：MIPS 支持多种扩展指令集，适应不同应用场景。
• 低功耗：MIPS 处理器在嵌入式系统中表现出色，功耗较低。

4.4.5 MIPS 的应用领域

• 嵌入式系统：MIPS 处理器广泛应用于工业控制、汽车电子和家用电器。
• 网络设备：路由器和交换机中常见 MIPS 处理器。
• 消费电子：数字电视、机顶盒和游戏主机（如 PlayStation）中使用 MIPS 架构。
• 高性能计算：部分超级计算机和服务器采用 MIPS 处理器。

4.5 RISC-V

RISC-V 是一种基于 RISC（精简指令集计算机） 设计的开源指令集架构（ISA），由加州大学伯克利分校的研究团队开发。RISC-V 以其开放性、模块化和灵活性著称，适用于从嵌入式系统到高性能计算的各种应用场景。

4.5.1 历史背景

• 2010年：RISC-V 项目在加州大学伯克利分校启动，旨在开发一种开放的指令集架构。
• 2014年：RISC-V 基金会成立，推动 RISC-V 的标准化和普及。
• 2010年代：RISC-V 在学术界和工业界逐渐受到关注，吸引了众多企业和研究机构的参与。
• 2020年：RISC-V 基金会将总部迁至瑞士，并更名为 RISC-V International。
• 现代：RISC-V 在嵌入式系统、物联网（IoT）、人工智能（AI）和高性能计算领域快速发展。

4.5.2 RISC-V 架构的特点

（1）RISC 设计

• RISC-V 是一种典型的 RISC 架构，指令集简单且高效。
• 指令长度固定（32 位或 16 位），格式统一。
• 单条指令执行一个简单操作，复杂操作通过多条指令完成。

（2）模块化设计

• RISC-V 采用模块化设计，核心指令集（Base ISA）和扩展指令集（Extensions）分离。
  • 核心指令集：包括整数指令集（RV32I/RV64I）和浮点指令集（RV32F/RV64F）。
  • 扩展指令集：如乘法/除法扩展（M）、原子操作扩展（A）、向量扩展（V）等。
• 用户可以根据需求选择所需的指令集，减少硬件复杂度和功耗。

（3）寄存器

• RISC-V 架构有 32 个通用寄存器（x0-x31）。
  • x0 是硬编码的零寄存器，读取时始终返回 0。
  • x1-x31 用于通用数据存储和操作。
• 部分 RISC-V 处理器还支持浮点寄存器（f0-f31）和向量寄存器。

（4）指令集

• RV32I/RV64I：32 位和 64 位整数指令集，支持基本的算术、逻辑和控制流操作。
• RV32E：嵌入式版本，仅支持 16 个通用寄存器。
• RV32F/RV64F：单精度和双精度浮点指令集。
• RV32D/RV64D：双精度浮点指令集。
• 扩展指令集：
  • M：乘法/除法扩展。
  • A：原子操作扩展。
  • C：压缩指令扩展（16 位指令）。
  • V：向量扩展（SIMD 操作）。
  • B：位操作扩展。

（5）内存寻址模式

• RISC-V 支持简单的内存寻址模式，主要包括：
  • 寄存器间接寻址。
  • 基址加偏移量寻址。

（6）异常和中断处理

• RISC-V 架构支持硬件中断和异常处理。
• 异常处理通过异常程序计数器（EPC）和状态寄存器（CSR）实现。

4.5.3 RISC-V 架构的演变

（1）早期 RISC-V 架构

• RV32I：首个 32 位整数指令集，定义了 RISC-V 的核心架构。
• RV64I：64 位整数指令集，支持更大的地址空间和更高的性能。

（2）扩展指令集

• M 扩展：引入乘法/除法指令。
• F/D 扩展：引入单精度和双精度浮点指令。
• C 扩展：引入 16 位压缩指令，减少代码体积。
• V 扩展：引入向量指令，支持 SIMD 操作。

（3）现代 RISC-V 架构

• RISC-V 特权架构：定义特权模式和虚拟内存支持。
• RISC-V 调试架构：支持硬件调试功能。
• RISC-V 向量扩展：支持高性能计算和 AI 应用。

4.5.4 RISC-V 架构的优势

• 开放性：RISC-V 是开源的，任何人都可以免费使用和修改。
• 模块化：用户可以根据需求选择指令集，减少硬件复杂度和功耗。
• 灵活性：RISC-V 适用于从嵌入式系统到高性能计算的各种应用场景。
• 生态系统：RISC-V 的生态系统正在快速发展，吸引了众多企业和研究机构的参与。

4.5.5 RISC-V 架构的挑战

• 生态系统不足：与 ARM 和 x86 相比，RISC-V 的软件和工具链支持相对较弱。
• 市场接受度：RISC-V 需要时间在商业市场中建立广泛的接受度。

4.5.6 RISC-V 的应用领域

• 嵌入式系统：RISC-V 处理器广泛应用于工业控制、汽车电子和家用电器。
• 物联网（IoT）：低功耗传感器和智能设备中常见 RISC-V 处理器。
• 人工智能（AI）：RISC-V 的向量扩展支持 AI 和机器学习应用。
• 高性能计算：部分超级计算机和服务器采用 RISC-V 处理器。

4.6 LoongArch

LoongArch 是中国龙芯公司自主研发的一种指令集架构（ISA），采用 RISC（精简指令集计算机） 设计，具有自主知识产权。LoongArch 架构支持 32 位和 64 位模式，具备模块化设计，适用于从嵌入式系统到高性能计算的各种应用场景。其特点包括高效能、低功耗和良好的扩展性，旨在打破对国外技术的依赖，推动国产处理器的发展。LoongArch 已应用于龙芯系列处理器，广泛应用于政府、教育、工业控制和消费电子等领域。

4.7 Modern Microprocessors A 90-Minute Guide!

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Modern Microprocessors A 90-Minute Guide!