Textbook:
《計算機組成與設計——硬件/軟件接口》 HI
《計算機體系結構——量化研究方法》 QR
這節我們來看CPU內部的一些東西。
Instruction Set Architecture
指令集是介於硬件（CPU microarchitecture / IO / ....）和軟件（compiler / OS / ....）之間的一個interface。硬件（486-586-PentiumPro）和軟件（Win98-WinXP）都會更新換代，但指令集很少變化（比如x86）。現在比較流行的是General-purpose register architecture，這也是我們重點學習的。早期還有stack architecture和accumulator architecture，不過已經不流行了...
Java VM：HI P89
Register
寄存器是在cpu內部的存儲單元，訪問簡單，速度也非常快。
和前面說的cache不同，寄存器是對軟件可見的（explictly managed）。比如下面的一段程序：
1 void foo(){ 2 .... 3 } 4 5 void bar(){ 6 int a,b; 7 a=233; 8 foo(); 9 printf("%d\n", a); 10 }
foo()和bar()都可能會用滿所有的寄存器。那么在Line 8調用foo()之前，編譯器就要手動把bar()當前運行時寄存器的值備份一下（存到stack），等foo()結束后再還原回來。
Memory Addressing
指令可以分為以下幾類：
- Load/Store就是在內存和寄存器之間搬運數據......
- ALU operation是用來計算的。它操作數據的主要來源是寄存器
- 在RISC中，ALU inst只能從寄存器中讀寫，不能讀內存地址。而在x86中一條指令最多可以讀寫1個內存地址
那么指令是如何進行memory addressing呢？要考慮如下幾個問題：
- Bytes addressed。即每個地址包含多少個byte。大多數情況下是一次讀一個byte（參考這張圖）。也有些奇怪的機器是一次讀一個word（多個bytes）
- Little/Big Endian
- Alignment。比如4bytes alignment表示每個數據的起始地址必須是4 bytes的倍數。
Addressing Mode：（PPT P6）
Control Flow Instructions
分支指令
幾種常見的ISA
CISC：硬件資源少，人類手些匯編的硬核年代......指令集比較復雜，並且提供一些復雜指令，以便讓program的匯編代碼量盡量小
RISC：此時硬件資源已經多了，編譯器技術也好一些了。因此需要只包括更簡單的指令（fixed length，涉及更少的hardware control），以便支持instruction-level parallelism。這樣即使需要的指令多了，但總體來看還是快不少。load-store architecture
但其實現在CISC和RISC差距已經沒有很大了......像CISC的x86指令集，也加入了很多RISC的特性。比如用RISC Engine來執行microcode（動態解碼后的CSIC指令）
RISC pipeline
PPT P14-
我們以Alpha為例來看看一個RISC ISA是怎樣設計的吧。
指令種類：可以分為RR、RI、Load/Store、Branch、Jump五種（PPT P14-P16）
為了執行這些指令，我們定義了一個五級的流水線：
- IF：Fetch 32bit instructions，並送到instruction memory
- ID：Decode Instruction（通過電路...），然后送到對應的component
- EX：進行計算
- MEM：（有可能）涉及到訪問內存
- WB：將結果寫回寄存器（Reg Array）
我們分別看看這五種指令各自是如何執行的：
PPT P19-24
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