处理器和指令

处理器负责从内存读取数据，并利用数据执行加法等处理。指示执行这些处理的就是“指令”。指令有以下几种：进行加法的ADD指令，进行乘法的MULT（multiply）指令，以及读写内存的LOAD指令、STORE指令等。让我们看看这些指令是怎样规定的。

指令架构入门

前面说过，指令架构详细地规定了处理器应当支持哪些指令、各个指令应执行什么操作等。

“架构”这个词源于建筑术语，意思是建筑的基本设计，现在被挪用到计算机的基本设计中，表示指令的设计、结构等。

拿汽车打比方，可以把指令架构想象成这样：发出向右打方向盘的指令，汽车就向右转；发出踩油门的指令就加速；发出踩刹车的指令就减速。对于汽车来说，这些基本指令是通用的，而汽车大灯、转向灯（转向提示器）的操作，以及空调、导航的操作指令，则由各家公司自行设计。

至于处理器的情况，Intel和AMD的x86处理器、PowerPC、SPARC、ARM、MIPS等各处理器的指令系统的应用领域和各指令的位排列顺序都不一样，互相并不兼容，因此一个指令架构上的机器语言程序（后面详细介绍）无法在其他指令架构的处理器上运行。

Intel x86架构的指令格式

图1.15描述了Intel x86的指令格式。原来Intel/AMD的x86处理器只能处理8位和16位数据，架构扩展后才支持32位、64位数据。但是，指令中只有1比特用于区分8位指令还是16位指令，所以该比特被扩展为表示8位/32位切换或8位/64位切换。※ ModR/M为指定寄存器和内存的修饰符（ModR/M还有其他功能），SIB可能是Scale、Index、Base的缩写，不过Intel没有给出这些词汇的定义。

图1.15“Prefix”部分指定了是否要进行这种扩展。

图1.15的“指令”部分为ADD（加法）、MOV（内存与寄存器之间数据复制）等（后面会介绍其他指令）1～3字节长的指令种类。

如果进行运算的两个操作数（运算的输入数据）都是寄存器，那么可以用图1.15的“指令”栏表示这种情况；如果操作数位于内存中，就要用到下一个“ModR/M”栏（1字节）（图1.15）。

操作数位于内存中时，图1.15的“SIB”栏（1字节）可以用来指定地址计算的修饰方法，还可以利用图1.15的“偏移”栏指定1～4字节长的地址偏移。

如果不使用寄存器或内存，而是将常量作为操作数，就把它的值写到1～4字节的“立即数”栏（图1.15）。

并不是所有指令都有这些栏，不必要的栏位可以省略，所以叫做“可变长指令格式”。指令格式的长度将在第2章介绍。

关于x86的称呼

Intel处理器的指令架构始于1978年发售的8086处理器。后来，Intel还发行了80186、80286、80386、80486等性能更高的处理器，因此连同后来的Pentium、Core处理器在内，这些处理器统称为x86。x86处理器的指令架构称为“x86架构”。

但是Intel对它正式称为IA-32（Intel Architecture-32），AMD的正式名称为AMD86架构。

机器指令——处理器的指令

计算机使用二进制，处理器的指令也由0和1组成。处理器依次读取内存中保存的指令，理解指令内容，然后执行指令的处理。这种处理器能够理解的指令格式称为“机器指令（Machine Instruction）”。

机器指令有以下几种：

—进行数据加减乘除的算术运算指令

—进行数据位运算的AND、OR、NOT等逻辑运算指令

—从内存读取数据的加载指令（Load Instruction）等

—向内存写入数据的存储指令（Store Instruction）等

此外，执行完一条指令后，处理器会读取下一个地址的指令并执行，但分支指令（Branch Instruction）可以更改下一个要执行的指令。而条件分支指令（Conditional Branch Instruction）可以判断前面的运算结果是0还是负数，只有在满足指定条件时才进行跳转，不满足条件时继续执行下一个地址的指令。

地址空间

加载、存储指令等访问的内存都是有地址的。带有地址的内存排列成区间，就像现实世界中的开阔场地一样，因此把带有地址的区间整体称为地址空间。图1.16为16/32/64位地址空间的示意图。 

 

图1.16 16/32/64位地址空间示意图

 

20世纪70年代的8位微处理器，访问内存时只能指定16位（0～65535）地址。因此能访问的最大内存容量也被限制在64KB之内。也就是说，这些处理器的地址空间是64KB。

可见，内存地址的位数与运算器、寄存器的位数大多数情况下是一致的，但这并不是必需的。例如，第一代x86处理器8086的内存地址只有16位，但加上偏移量（程序的起始地址）后变成20位，就可以访问1MB的地址空间。但是，8086上一个程序能使用的内存空间只有16位，运算器与寄存器也是16位，因此被称做16位架构。

另外，现在的处理器大都拥有64位运算器和寄存器，但还没有安装2⁶⁴字节内存的计算机，因此内存地址总线的实际宽度为40～48位左右。不过，这些处理器依然叫做64位架构。所以说，XX位架构并不是太严格的定义，根据常理判断就行了。

32位地址空间

随着计算机安装的内存容量增加，8086的地址指定方式已不能访问所有内存。因此，Intel的Pentium处理器和各种RISC处理器都准备了32位运算指令，用32位指定内存地址。这些处理器的地址空间是4GB，不过4GB并不是指内存空间的大小，而是指这些处理器拥有32位地址空间。

32位地址可以访问4GB的内存，但说到底只是“可以指定4GB地址空间”，并不意味着计算机一定有4GB内存空间。事实上，第一个支持32位地址空间的处理器问世当初，计算机的实际内存容量不过几MB而已。而且，当时认为32位地址空间应该很宽裕了，哪知现在的服务器会安装16GB以上的内存，就连个人计算机也动不动就安装4GB以上的内存，因此32位地址空间明显不够用了。

64位地址空间——AMD86-64、Intel 64

20世纪90年代，RISC处理器（后述）增加了64位运算指令，开始支持64位地址空间。而x86系列中，AMD在2000年先行发表了名为AMD86-64的64位扩展架构，之后Intel也开始支持同一种架构。为了将64位扩展架构与原来的x86架构区别，通常称它为“x64架构”。

现在的计算机安装的内存达到几GB甚至数十GB，预计今后还会继续按照每三年增长四倍的速度发展，那么64位地址空间也将在40～45年后开始捉襟见肘。在那之前的10年内必须扩展地址空间，所以可以预见，从现在开始30～35年后，即2040—2045年间，就要采用支持128位地址空间的指令架构了。

 

 

本文节选自《支撑处理器的技术——永无止境地追求速度的世界》

 

（美）海撒安藤著；

李剑译

电子工业出版社出版