什么是ISA？CPU技术科普

我（作者）开始写这东西基本上是由于太闲。发这篇文是由于，一来本身就是想科普，二来发现到很多人对isa，cpu架构的误解。

先说明关于本文的几点：

1. 既然是科普向，那不是专门写给专业人员看的，专业人员都喜欢看那些非常严肃，定义严谨的教科书，我本人是一个不大喜欢教科书式教育的人，所以这篇也不会是那种各种专业词语乱飞的文章。但是我没有在国内学习过cpu架构，所以有些名字我的确不喜欢或者不知道中文翻译，会用英语原文。尽量不用这种文绉绉的语气，多点用调侃或者比较非正式的话语。

2. 在这边的公司面试的时候，我遇到过一个比较有趣的问题是：

你要设计cpu，你怎么向你奶奶解释你现在的工作。

首先，我奶奶已经去世了，也没办法向她解释。其实，这是一个非常有趣的问题，为什么面试的时候回经常问？因为cpu设计行业里面，很多专业的知识，别说一般市民，即使是公司里面的其他员工，随时是跨领域的对话，所以，必须会用比较简单的例子来解释复杂的问题。

我当时回答是用厨房煮菜的过程来解释cpu的流水线，这篇文当然也会常常用到类似的比喻，不是因为我喜欢做菜或者我是吃货，是因为我当时只想到厨房。

3. 一篇全是文字的科普向文章是非常非常沉闷的，为了让读者不睡着，我会偶尔讲冷笑话，如果太冷了，本人水平有限，望包含！下面开始：

什么是ISA？

ISA， Instruction Set Architecture. 中文就是，指令，集合，架构。在计算机里面，什么是ISA呢？就是xx定义的一个指令集，这里的xx可以指任何东西。比如你只会做加法，你就定义一个叫假发ISA，这个指令集只做加法，这也是一个isa。

任何一个ISA对于另外一个isa都没有根本意义上的“先进”，ISA之间的对比是非常复杂的。你只会做加法，我只会做乘法，你说我们谁先进？我见得比较多的是争吵x86 ISA比ARM ISA先进的，我往往一脸懵逼，好像他们比我懂，我是不是不应该插一腿进去...

x86 ISA现在是Intel和AMD共同拥有，也就是说如果你要开新的x86 cpu公司你必须向这两者付版权费用，而且必须两者都同意你才能获得完整的ISA，如果你只获得一部分不完整的ISA，那就和完全没拿到ISA一样（编者：我突然想到最近AMD给国内X86授权，按照作者的意思，是不是国内拿到的X86授权是不完整的？因为感觉Intel没同意）。

ISA在cpu里面，就像是字典，用厨房的比喻就是菜谱，菜谱定义了你这个厨房会做什么菜，这个菜做出来是什么样什么味道，那么顾客在这家连锁店的任何一间都能叫到相同的菜，吃到相同的味道。

ARM ISA当然是ARM公司所有的，当时ARM公司是定菜单的，并且给出试菜的人，说你们每家店都要做出这个味才算ARM。而做店的则是不同的公司，像Qualcomn啦，他们中间喜欢怎么做菜是他们的自由，但是必须会那几道菜，必须做出这个味。

各家的菜单都一样，所以顾客不需要知道是谁做的菜，只要是这个菜单，做出来肯定一个味。因为操作系统根本不需要知道你cpu是怎么设计的，操作系统只要知道，我需要运行这些指令，你知道怎么运行就行了，每个不同牌子的cpu，只要你运行出来结果都一样，就行了。

如果isa定义1+1=9，那么这个是定义下来的，所有人都这样错，就没错。如果isa定义了1+1=9，你要纠正他，我的cpu是1+1=2，那么你做出来的cpu虽然数学上正确，但是所有软件，系统，就突然不知道怎么办了。你说这么愚蠢的错误cpu不可能犯是吧？

自行百度一下苹果75-37.5 bug（虽然不一定是cpu或者isa上的错误，也许是软件上的）

然后又有人说ISA是铁定下来的，x86的良好生态环境是因为他的ISA一直有legacy支持。legacy直接翻译就是遗产。x86的legacy支持的意思就是，世界上第一个x86 cpu支持的东西，今年你发明的x86 cpu也支持，以后的也要支持。

的确从某个角度上来说，农企和Intel都非常努力的去支持很多已经没什么人的东西，就是餐馆里菜谱里面有些菜基本上你都不会去试的。你说你都不用了，农企Intel还在那里浪费设计是吧？你不用不代表没人用啊，X国很多军用的设备还是Windows95啊，甚至还是服役中的Windows3.1啊，银行的atm还有用Windows98的。别问我为什么他们要那样，如果他们肯花钱找些软件工程师重新写那些程序，就可以用最新的东西，很多没有注释，现在没有人学的语言，或者算法诡异的程序，很多军事设备还在用啊。

原因大概是：这种语言连学都没人学，我自己都看不懂，我看你怎么破解我的坦克系统！

但是实际上x86又不是完全100%的legacy支持，至少ISA上面没有这样定义，农企和Intel也没有官方明文定义。

x86里面有一个指令叫cpuid，系统/编译器运行它的时候，它会给出一些数据，就是告诉系统/编译器，这个cpu支持什么东西，这个cpu有些什么新东西之类的。所以，理论上可以设计一个cpu，不支持那些非常少用的指令，以降低cpu的设计复杂程度，也更省电省事。（对不起，你想吃的这个菜，我们不卖了，你找另外一家试试）

CPU架构

这个主题，如果你有编程经验，食用效果更佳。

下面这段纯属个人经历，无关主题，可跳过。

如果你有编程经验，你有没有想过，你写的代码是怎么运行的？

我当初就是由于这个原因而对cpu感兴趣然后不知不觉进了这一行。

我是这样的一个人，我看到轮子转，我就想知道轮子是怎么转的，我就想拆开马达，拆开电线，然后学物理，学磁感线，然后知道是什么让轮子转。

后来由于各种原因我有缘接触汇编，cpu架构之后，对比起编程，我对cpu的运行原理非常兴趣，我是兴趣使动的，然后就花时间去研究了。其实UIUC对于半导体，EE那边的研究更多更有趣，但是那边的教授的所有课让我对computer architecture的有浓厚兴趣。

我学习过程是这样的，怎么写c->c怎么编译会汇编语言->汇编语言怎么在cpu里面运行->cpu的组成->transistor的原理->半导体的电子学应用->半导体的工业使用。

在学习半导体的时候，对各种光学半导体也曾经非常感兴趣，没有继续学下去的原因是，设备太贵了，里面的数学太难了（对，说的就是数学，很多方程都没有解答方法，很多是以前的数学家通过直接观察式子，然后试答案试出来的，所以很多differential equation要单纯靠记忆，我对背书非常非常不在行，如果有哪一天有数学家发现了可以怎么算，我学了算法也许还能去学一点）！

后来就去研究cpu怎么才能提高效率。

回归正题，代码是怎样运行的呢？

给纯来看科普的读者的厨房比喻，你要组织一个宴会，然后你说了要弄些什么，你就是软件。然后有个人，专门根据你你要求，弄成一份菜单，他就是编译器。然后把这份菜单给厨房，基本上就是：读菜单拿食材（instruction fetch），切菜（decode），煮菜（execute），上盘出餐（load store and writeback）。然后前面就一读菜单，后面就一直工作。

给有一点编程知识的读者：举个例子，c：

int func（）{

...

int a = 1;

a = a +3;

...

}

这段编译后，大概就是

sub sp, 4 ; stack point increase变量都在函数栈里留一个位置，因为是int所以留4

mov ebx, 1 ; ebx用来存1，就是你定义 a了，a=1

; mov [sp], ebx ;有时候如果需要，就把ebx是值存到刚刚预留的栈里

; mov ebx, [sp] ;需要用的时候再读出来，不是必然会发生的，但是这两步可能发生

add ebx, 3 ; ebx = ebx+3, 当然你可以用其他register

...

你不需要读得懂，因为我手打的，分分钟错给你看。

然后这些东西，就会跑到内存，没错，你运行软件的时候，代码是先去到内存，如果想了解他们怎么从硬盘跑到内存，这是另外一个主题，我这里先不讨论，然后缓存又会把这些代码读取，缓存就已经在SoC里面的，cpu在从缓存里面读取，别问为什么这么麻烦读这么多次，都是为了省钱和稍微加快速度。

由于是举例子，我就随便乱说个decode。这个是Intel公布的manual，问我为什么不用本家农企是吧？因为我拿到农企那个不是对外公布的，公布版我还要上网找。

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里面看起来大概是这样的 0x05__02___00000003

里面的_代表其他位不详细讲的，大概这个翻译成机械码就是 要做05（ADD加法）在02（ebx实际上我印象中ebx是02，然而eax是00，不是01，这些编码乱七八糟的，Intel决定的，别问我）后面的00000003就是32为imm32，就是 add, ebx 03

cpu读了这条cacheline叫instruction fetch，然后下一步就是把它decode，解释成add, ebx 03,再下一步就是把运行（execute，没错，这么麻烦之后，最后终于要算了），把算得的结果存到ebx上，然后再看看需不需要存回去cacheline或者内存里面（load/store writeback）。这个就是cpu的基本运行原理。

CPU pipeline

有时候会听到cpu流水线，如果按照上面的做法，没一个指令都要通过这几部来预算，那么只有一部分电子器件在用的时候，其他部分都在发呆浪费电。就像是，厨房里面，从取菜到上盘全部都一个人做，肯定要累死那个人，但是你炒菜的时候，是不是想，如果有人已经帮你切好菜，我就一直炒菜好了，这样我们厨房工作效率就高了，cpu也是这样。

上图是一个经典的cpu运行流水线。

换成厨房理论，就是，一个人专门去食材，一个人专门切菜，一个人专门炒菜，一个人专门上盘，一个人专门给客人下单上菜，是不是现代化很多呢！

然而这样不能满足我们cpu的工程师，我们还有branch prediction，什么叫branch prediction呢？程序黎里面最耗时间的一个就是branch，就像c里面的if，你得到答案之前不知道是继续往下走还是进去if里面的括号。就像下单的小哥，那些犹豫不决而改菜单的人最讨厌了。

于是cpu里面有了这个东西，他是怎么用的呢。下单的小哥也不是笨蛋，顾客a来了100多次了，有80次都改单把猪肉改成鸡肉，那么他下单时候，小哥就先说了，改鸡肉，如果顾客a觉得还是猪肉吧，就再抄，如果顾客a真的改单，那么厨房以及开始做了，而且有80%的几率啊，小哥还是挺聪明的吧。

cpu也大概是这样，根据每个loop的地址(顾客)来训练出一个未卜先知的系统。

上图里面还有OOO（out of order），x86里面，real mode可以用的general register只有8个，eax，ebx，之类的，64位之后增加了8个。流水线工作，如果

mov eax，1；

add eax，1；

sub eax，2；

你们发现问题了没，eax用了再用，但是流水线做add的时候，eax是1，sub在等add retire之前，是不能做的，那么你就不得不等。

那么流水线的效率就体现不出来了。因为这里有一个write after write 的dependency，就是同一个register，你两个pipeline stage要用同一个register，而且x86在传统模式只有8个register，eax,ebx等等，64位模式增加了一些。所以这中情况是非常常见的。为了解决这个问题，就有了out of order execute， in order commit。就是不按顺序来运行指令，但是按顺序完成指令。

用厨房理论解释就是，有这么一道菜（或者说两道菜），鸡要先煮了然后炸，你煮熟鸡之前不能炸，否则炸了再煮，口感就不同了，顾客肯定骂死你，但是后面又有其他菜在等，锅你是有的，所以在煮鸡的时候，你先做后面的菜，然后鸡煮好了，再炸。出餐的时候，你还是先出了这道鸡肉再出后的菜，那样顾客就不会投诉出餐的顺序不按菜单了。

大概就说这么一通吧，也不知道有没有解释清楚，我中文越来越差了，说话都咬舌头，而且我说方言版本的粤语比较多，普通话有时候也说不准确了Orz(求别喷，用得少就说不好了)。

里面夹杂了一些英文，因为我看了中文的翻译，我觉得那样翻译不好，也不准确，但是我又不想自己想个新词来误导读者，只好用英文了。如果有读者对某些题目有特别的兴趣，我再想想什么时候有空再写点什么吧。