什么是ISA？CPU技術(shù)科普

我（作者）開始寫這東西基本上是由于太閑。發(fā)這篇文是由于，一來本身就是想科普，二來發(fā)現(xiàn)到很多人對isa，cpu架構(gòu)的誤解。

先說明關(guān)于本文的幾點：

1. 既然是科普向，那不是專門寫給專業(yè)人員看的，專業(yè)人員都喜歡看那些非常嚴肅，定義嚴謹?shù)慕炭茣?，我本人是一個不大喜歡教科書式教育的人，所以這篇也不會是那種各種專業(yè)詞語亂飛的文章。但是我沒有在國內(nèi)學(xué)習(xí)過cpu架構(gòu)，所以有些名字我的確不喜歡或者不知道中文翻譯，會用英語原文。盡量不用這種文縐縐的語氣，多點用調(diào)侃或者比較非正式的話語。

2. 在這邊的公司面試的時候，我遇到過一個比較有趣的問題是：

你要設(shè)計cpu，你怎么向你奶奶解釋你現(xiàn)在的工作。

首先，我奶奶已經(jīng)去世了，也沒辦法向她解釋。其實，這是一個非常有趣的問題，為什么面試的時候回經(jīng)常問？因為cpu設(shè)計行業(yè)里面，很多專業(yè)的知識，別說一般市民，即使是公司里面的其他員工，隨時是跨領(lǐng)域的對話，所以，必須會用比較簡單的例子來解釋復(fù)雜的問題。

我當(dāng)時回答是用廚房煮菜的過程來解釋cpu的流水線，這篇文當(dāng)然也會常常用到類似的比喻，不是因為我喜歡做菜或者我是吃貨，是因為我當(dāng)時只想到廚房。

3. 一篇全是文字的科普向文章是非常非常沉悶的，為了讓讀者不睡著，我會偶爾講冷笑話，如果太冷了，本人水平有限，望包含！下面開始：

什么是ISA？

ISA， Instruction Set Architecture. 中文就是，指令，集合，架構(gòu)。在計算機里面，什么是ISA呢？就是xx定義的一個指令集，這里的xx可以指任何東西。比如你只會做加法，你就定義一個叫假發(fā)ISA，這個指令集只做加法，這也是一個isa。

任何一個ISA對于另外一個isa都沒有根本意義上的“先進”，ISA之間的對比是非常復(fù)雜的。你只會做加法，我只會做乘法，你說我們誰先進？我見得比較多的是爭吵x86 ISA比ARM ISA先進的，我往往一臉懵逼，好像他們比我懂，我是不是不應(yīng)該插一腿進去...

x86 ISA現(xiàn)在是Intel和AMD共同擁有，也就是說如果你要開新的x86 cpu公司你必須向這兩者付版權(quán)費用，而且必須兩者都同意你才能獲得完整的ISA，如果你只獲得一部分不完整的ISA，那就和完全沒拿到ISA一樣（編者：我突然想到最近AMD給國內(nèi)X86授權(quán)，按照作者的意思，是不是國內(nèi)拿到的X86授權(quán)是不完整的？因為感覺Intel沒同意）。

ISA在cpu里面，就像是字典，用廚房的比喻就是菜譜，菜譜定義了你這個廚房會做什么菜，這個菜做出來是什么樣什么味道，那么顧客在這家連鎖店的任何一間都能叫到相同的菜，吃到相同的味道。

ARM ISA當(dāng)然是ARM公司所有的，當(dāng)時ARM公司是定菜單的，并且給出試菜的人，說你們每家店都要做出這個味才算ARM。而做店的則是不同的公司，像Qualcomn啦，他們中間喜歡怎么做菜是他們的自由，但是必須會那幾道菜，必須做出這個味。

各家的菜單都一樣，所以顧客不需要知道是誰做的菜，只要是這個菜單，做出來肯定一個味。因為操作系統(tǒng)根本不需要知道你cpu是怎么設(shè)計的，操作系統(tǒng)只要知道，我需要運行這些指令，你知道怎么運行就行了，每個不同牌子的cpu，只要你運行出來結(jié)果都一樣，就行了。

如果isa定義1+1=9，那么這個是定義下來的，所有人都這樣錯，就沒錯。如果isa定義了1+1=9，你要糾正他，我的cpu是1+1=2，那么你做出來的cpu雖然數(shù)學(xué)上正確，但是所有軟件，系統(tǒng)，就突然不知道怎么辦了。你說這么愚蠢的錯誤cpu不可能犯是吧？

自行百度一下蘋果75-37.5 bug（雖然不一定是cpu或者isa上的錯誤，也許是軟件上的）

然后又有人說ISA是鐵定下來的，x86的良好生態(tài)環(huán)境是因為他的ISA一直有l(wèi)egacy支持。legacy直接翻譯就是遺產(chǎn)。x86的legacy支持的意思就是，世界上第一個x86 cpu支持的東西，今年你發(fā)明的x86 cpu也支持，以后的也要支持。

的確從某個角度上來說，農(nóng)企和Intel都非常努力的去支持很多已經(jīng)沒什么人的東西，就是餐館里菜譜里面有些菜基本上你都不會去試的。你說你都不用了，農(nóng)企Intel還在那里浪費設(shè)計是吧？你不用不代表沒人用啊，X國很多軍用的設(shè)備還是Windows95啊，甚至還是服役中的Windows3.1啊，銀行的atm還有用Windows98的。別問我為什么他們要那樣，如果他們肯花錢找些軟件工程師重新寫那些程序，就可以用最新的東西，很多沒有注釋，現(xiàn)在沒有人學(xué)的語言，或者算法詭異的程序，很多軍事設(shè)備還在用啊。

原因大概是：這種語言連學(xué)都沒人學(xué)，我自己都看不懂，我看你怎么破解我的坦克系統(tǒng)！

但是實際上x86又不是完全100%的legacy支持，至少ISA上面沒有這樣定義，農(nóng)企和Intel也沒有官方明文定義。

x86里面有一個指令叫cpuid，系統(tǒng)/編譯器運行它的時候，它會給出一些數(shù)據(jù)，就是告訴系統(tǒng)/編譯器，這個cpu支持什么東西，這個cpu有些什么新東西之類的。所以，理論上可以設(shè)計一個cpu，不支持那些非常少用的指令，以降低cpu的設(shè)計復(fù)雜程度，也更省電省事。（對不起，你想吃的這個菜，我們不賣了，你找另外一家試試）

CPU架構(gòu)

這個主題，如果你有編程經(jīng)驗，食用效果更佳。

下面這段純屬個人經(jīng)歷，無關(guān)主題，可跳過。

如果你有編程經(jīng)驗，你有沒有想過，你寫的代碼是怎么運行的？

我當(dāng)初就是由于這個原因而對cpu感興趣然后不知不覺進了這一行。

我是這樣的一個人，我看到輪子轉(zhuǎn)，我就想知道輪子是怎么轉(zhuǎn)的，我就想拆開馬達，拆開電線，然后學(xué)物理，學(xué)磁感線，然后知道是什么讓輪子轉(zhuǎn)。

后來由于各種原因我有緣接觸匯編，cpu架構(gòu)之后，對比起編程，我對cpu的運行原理非常興趣，我是興趣使動的，然后就花時間去研究了。其實UIUC對于半導(dǎo)體，EE那邊的研究更多更有趣，但是那邊的教授的所有課讓我對computer architecture的有濃厚興趣。

我學(xué)習(xí)過程是這樣的，怎么寫c->c怎么編譯會匯編語言->匯編語言怎么在cpu里面運行->cpu的組成->transistor的原理->半導(dǎo)體的電子學(xué)應(yīng)用->半導(dǎo)體的工業(yè)使用。

在學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的時候，對各種光學(xué)半導(dǎo)體也曾經(jīng)非常感興趣，沒有繼續(xù)學(xué)下去的原因是，設(shè)備太貴了，里面的數(shù)學(xué)太難了（對，說的就是數(shù)學(xué)，很多方程都沒有解答方法，很多是以前的數(shù)學(xué)家通過直接觀察式子，然后試答案試出來的，所以很多differential equation要單純靠記憶，我對背書非常非常不在行，如果有哪一天有數(shù)學(xué)家發(fā)現(xiàn)了可以怎么算，我學(xué)了算法也許還能去學(xué)一點）！

后來就去研究cpu怎么才能提高效率。

回歸正題，代碼是怎樣運行的呢？

給純來看科普的讀者的廚房比喻，你要組織一個宴會，然后你說了要弄些什么，你就是軟件。然后有個人，專門根據(jù)你你要求，弄成一份菜單，他就是編譯器。然后把這份菜單給廚房，基本上就是：讀菜單拿食材（instruction fetch），切菜（decode），煮菜（execute），上盤出餐（load store and writeback）。然后前面就一讀菜單，后面就一直工作。

給有一點編程知識的讀者：舉個例子，c：

int func（）{

...

int a = 1;

a = a +3;

...

}

這段編譯后，大概就是

sub sp, 4 ; stack point increase變量都在函數(shù)棧里留一個位置，因為是int所以留4

mov ebx, 1 ; ebx用來存1，就是你定義 a了，a=1

; mov [sp], ebx ;有時候如果需要，就把ebx是值存到剛剛預(yù)留的棧里

; mov ebx, [sp] ;需要用的時候再讀出來，不是必然會發(fā)生的，但是這兩步可能發(fā)生

add ebx, 3 ; ebx = ebx+3, 當(dāng)然你可以用其他register

...

你不需要讀得懂，因為我手打的，分分鐘錯給你看。

然后這些東西，就會跑到內(nèi)存，沒錯，你運行軟件的時候，代碼是先去到內(nèi)存，如果想了解他們怎么從硬盤跑到內(nèi)存，這是另外一個主題，我這里先不討論，然后緩存又會把這些代碼讀取，緩存就已經(jīng)在SoC里面的，cpu在從緩存里面讀取，別問為什么這么麻煩讀這么多次，都是為了省錢和稍微加快速度。

由于是舉例子，我就隨便亂說個decode。這個是Intel公布的manual，問我為什么不用本家農(nóng)企是吧？因為我拿到農(nóng)企那個不是對外公布的，公布版我還要上網(wǎng)找。

Opcode Instruction Op/ En 64-bit Mode Compat/ Leg Mode D

05 id ADD EAX, imm32 I Valid Valid Add imm32 to EAX.

在cacheline里面看起來大概是這樣的 0x05__02___00000003

里面的_代表其他位不詳細講的，大概這個翻譯成機械碼就是 要做05（ADD加法）在02（ebx實際上我印象中ebx是02，然而eax是00，不是01，這些編碼亂七八糟的，Intel決定的，別問我）后面的00000003就是32為imm32，就是 add, ebx 03

cpu讀了這條cacheline叫instruction fetch，然后下一步就是把它decode，解釋成add, ebx 03,再下一步就是把運行（execute，沒錯，這么麻煩之后，最后終于要算了），把算得的結(jié)果存到ebx上，然后再看看需不需要存回去cacheline或者內(nèi)存里面（load/store writeback）。這個就是cpu的基本運行原理。

CPU pipeline

有時候會聽到cpu流水線，如果按照上面的做法，沒一個指令都要通過這幾部來預(yù)算，那么只有一部分電子器件在用的時候，其他部分都在發(fā)呆浪費電。就像是，廚房里面，從取菜到上盤全部都一個人做，肯定要累死那個人，但是你炒菜的時候，是不是想，如果有人已經(jīng)幫你切好菜，我就一直炒菜好了，這樣我們廚房工作效率就高了，cpu也是這樣。

上圖是一個經(jīng)典的cpu運行流水線。

換成廚房理論，就是，一個人專門去食材，一個人專門切菜，一個人專門炒菜，一個人專門上盤，一個人專門給客人下單上菜，是不是現(xiàn)代化很多呢！

然而這樣不能滿足我們cpu的工程師，我們還有branch prediction，什么叫branch prediction呢？程序黎里面最耗時間的一個就是branch，就像c里面的if，你得到答案之前不知道是繼續(xù)往下走還是進去if里面的括號。就像下單的小哥，那些猶豫不決而改菜單的人最討厭了。

于是cpu里面有了這個東西，他是怎么用的呢。下單的小哥也不是笨蛋，顧客a來了100多次了，有80次都改單把豬肉改成雞肉，那么他下單時候，小哥就先說了，改雞肉，如果顧客a覺得還是豬肉吧，就再抄，如果顧客a真的改單，那么廚房以及開始做了，而且有80%的幾率啊，小哥還是挺聰明的吧。

cpu也大概是這樣，根據(jù)每個loop的地址(顧客)來訓(xùn)練出一個未卜先知的系統(tǒng)。

上圖里面還有OOO（out of order），x86里面，real mode可以用的general register只有8個，eax，ebx，之類的，64位之后增加了8個。流水線工作，如果

mov eax，1；

add eax，1；

sub eax，2；

你們發(fā)現(xiàn)問題了沒，eax用了再用，但是流水線做add的時候，eax是1，sub在等add retire之前，是不能做的，那么你就不得不等。

那么流水線的效率就體現(xiàn)不出來了。因為這里有一個write after write 的dependency，就是同一個register，你兩個pipeline stage要用同一個register，而且x86在傳統(tǒng)模式只有8個register，eax,ebx等等，64位模式增加了一些。所以這中情況是非常常見的。為了解決這個問題，就有了out of order execute， in order commit。就是不按順序來運行指令，但是按順序完成指令。

用廚房理論解釋就是，有這么一道菜（或者說兩道菜），雞要先煮了然后炸，你煮熟雞之前不能炸，否則炸了再煮，口感就不同了，顧客肯定罵死你，但是后面又有其他菜在等，鍋你是有的，所以在煮雞的時候，你先做后面的菜，然后雞煮好了，再炸。出餐的時候，你還是先出了這道雞肉再出后的菜，那樣顧客就不會投訴出餐的順序不按菜單了。

大概就說這么一通吧，也不知道有沒有解釋清楚，我中文越來越差了，說話都咬舌頭，而且我說方言版本的粵語比較多，普通話有時候也說不準確了Orz(求別噴，用得少就說不好了)。

里面夾雜了一些英文，因為我看了中文的翻譯，我覺得那樣翻譯不好，也不準確，但是我又不想自己想個新詞來誤導(dǎo)讀者，只好用英文了。如果有讀者對某些題目有特別的興趣，我再想想什么時候有空再寫點什么吧。