ISA(instruction set architecture,指令集架構)
程式設計師或是翻譯器撰寫者所能夠看得到的機器部份
包括運算種類，暫存器個數，定址空間，條件碼，…等
ps:不包括快取記憶體的組織與指令管線的深度等實作相關細節
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指令集設計的考量因素
1指令集所提供的運算種類
必須是functionally complete(功能完整),具備足夠的指令,才可讓使用者完整表達計算過程
而在電腦指令集上至少需指供3種運算，才算完整的指令集：
data operation instruction(資料運算指令)
data transfer instruction(資料搬動指令)
flow control instruction(流程控制指令)
其他指令則是設計上的捨取
補充：若能找出功能完整的最小集合，就可用少工具完成工作
ex:只要有AND,OR,NOT三種即可提供完整的布林運算功能
ex:只要有循序,選擇,迴圈三種基本指令即可設計出任何功能的高階語言
2 CPU內部儲存運算元方式：
stack(堆疊)：用postfix expression(後序運算式)可讓計算方式變簡單，但存取效率差
acc(累加暫存器)：運算電路簡單，但只有1個，在運算時對memory存取次數較多
general purpose register(一般目地暫存器)：數量多可有彈性的運用，大多數機器採用
3指令中指出的運算元個數
儲存運算元方式會影響運算元個數
stack：使用零個運算元格式，因為運算元與運算結果都固定在stack中
ACC:使用單一運算元的格式，因為其中一個運算元與運算結果會固定ACC中
general purpose register:有兩個或三個運算元格式
4指令中允許的運算元位置：
位置會影響存取運算元的效能,設計上有：
暫存器對暫存器：load-store architecture(載入與回存架構)
暫存器對記憶體
記憶體對記憶體
對於memory中,運算元的定址方法有：
direct addressing(直接定址法)
indirect addressing(間接定址法)
relative addressing(相對定址法
immediate data addressing(立即資料定址法)
indexed addressing(索引定址法)
5指令中如何指定運算元型態與大小：
型態與大小決定存取的次數，一般設計上有兩種
運算碼：可靠度差，大多電子計算機用
標籤：可靠度佳，電路需要特殊設計
6其他
指令集的條件碼：是否給程式設計師用或隱含
指令集的consistency(一致性)：若有此設計，則容易學習且撰寫不易出錯
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指令集設計步驟
1分析出主要應用領域
2根據應用領域的性質與特徵，決定需要提供的特殊功能
3將特殊功能對映成一低階指令
4根據指階指令發生次數，決定使用頻率
5使用頻率高且執行時間長的指令，根據amdahl’s law進行優化
6分析指令是否為可接受的組合語言階層，最後形成指令
好的指令集架構包括：
1指令集大小與複雜度：最好適中，需考量RISC和CISC差異
2功能完整性與效率：可讓演算法轉換成一個機器語言程式，並能有效率執行
3設計一致性：使用的定址模式與條件碼必須一致，所有指令皆可使用
好的指令集架構需考量：
1 application program development:需要可讓程式設計師在各應用領域方便地撰寫應用程式
2 compiler design:可容易將高階語言指令轉換成機器語言指令，並對特殊功能最佳化處理與設計
3 assembly language programming: 可對應到組合語言指令，並根據需要撰寫各功能的組合語言程式
4 hardware implementation: 可實作出電路並有效率地執行這些指令，根據不同加權予特別設計
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CISC vs RISC
CISC(Complex Instruction Set Computer,複雜指令集電腦)
設計哲學：指令集是撰寫程式的工具，一旦工具越多且功能越強，則更能有效率地設計程式
觀念：提供複雜的指令，讓完成一個工作所需的IC(指令個數)能夠減到最少提昇效率
優點：撰寫組合語言方便，擁有大量指令可完成複雜工作
缺點：CPI與CT較大
管線作業：普通
特點：翻譯器設計簡單，硬體電路複雜，較少register
指令特性：指令多且複雜，格式與長度不固定
適合：複雜的工作
ex:Motorola6800,DEC VAX,IBM370
RISC(Reduced Instruction Set Computing,精簡指令集電腦)
設計哲學：提供少數及常用且簡單的指令，並對指令進行特殊設計，在大部份的情況下會有較佳的效率
觀念：將常使用的簡單指令特別使用硬體的來製作，以提升執行效率，減少CPI
優點：擁有少量指令且功能簡單，CPI藉由管線作業變小，CT藉由減少解碼和產生控制信號時間變小
缺點：IC多
管線作業：可得到最大好處
特點：翻譯器設計複雜，硬體電路簡單，較多register
指令特性：指令少且簡單，格式與長度固定
適合：簡單的工作
ex:SUN SPARC,Apple PowerMac,IBM RS系列
ps:
RISC比CISC更適合用在IA(intelligent appliance智慧型家電)
因為該此類產品內部只需功能相對簡單的微處理器，指令也相對少
ps:
現今的cpu通常採用RISC和CISC混合式設計
精簡指令集電腦特性
因為程式中有較多的IC，因此必需減少CPI和CT，所以有以下特性：
管線作業架構：讓CPI接近1
single machine cycle(單一機器週期)：提升指令效能
載入與回存架構：只允許load instruction和store instruction存取主記憶體資料，來盡量避免用到主記憶體
register file(暫存器檔案)：提供極多register,讓指令盡量在register存取資料，減少memory的存取次數
硬體線路控制：CU(控制單元)使用，以減少一道指令在執行所需的時間，以提昇整體執行效能
固定長度與格式的指令：簡化指令週期中IF和ID動作，使解碼電路複雜度變低，減少CT
簡單的定址模式：提供暫存器對暫存器與少數簡單的定址模式，減少指令執行的記憶體存取次數
最佳化的翻譯器：用最佳化技術使程式中指令個數盡量減少，並處理管線危機
coprocessor(浮點運算協同處理器)：因單一機器週期不同，為不影響管線作業效能，另外使用硬體電路來完成
快取記憶體：可減少主憶體的平圴存取時間，直接影響計時週期個數(CPI*IC)和CT
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指令格式
機器指令的格式通常為：[運算碼欄位][定址指示欄位][運算元欄位]
ps:在IF與ID上，用固定長度格式較簡易，用變動長度格式較複雜
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運算碼欄位：內含二進制編碼的opcode(operation code,運算碼)
1中央處理器在指令週期的ID階段，根據opcode的內容就可以知道要執行那一種運算
2欄位長度和指令集大小有關
3編碼方式:有欄位長度可以是固定或變動長度的編碼設計，如下
單一運算碼欄位編碼:使用相同長度的運算碼,若有n個指令則需ceil(log2(n))個位元的運算碼欄位
ex:54種不同指令,則欄位長度為6bit
ex:op code欄位為5bit，則此機至多可提供2^5=32種不同的運算
多個運算碼欄位編碼:長度不一定,但會增加解碼電路的複雜度
霍夫曼編碼:對經常使用的指令進行特殊設計,考慮使用機率可以得到平圴長度最小的運算碼編碼
ex:有6指令,機率分別為p1=0.4 , p2=0.3 , p3=0.1 , p4=0.08 , p5=p6=0.06
經編碼後各指令運算碼為p1=0 , p2=10 , p3=1111 , p4=1110 , p5=1100 , p6=1101
平均長度=1*0.4 + 2*0.3 + 4*0.1 + 4*0.08 + 4*0.06 + 4*0.06=2.2bit
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運算元欄位：存放運算元的位址
1欄位大小和主記憶體的定址空間大小有關
2欄位個數多寡會影響機器指令的長度
3算術運算指令格式，需明顯指出運算元的個數，可分成：
四位址指令:[運算元位址| 運算元位址| 運算元位址| 下一道指令位址]
機器指令目前沒不使用，但微指令格式中常用
三位址指令：[運算元位址| 運算元位址| 運算元位址]，而下一道指令位址放在program count
磁蕊記憶體出現才開始有三位址指令
雙位址指令：[運算元位址| 運算元位址]
單位址指令：[運算元位址]
一又二分之一位址指令
零位址指令:也稱stack architecture(堆疊結構)，算術運算指令中不必指定運算元所在
暫存器對暫存器指令(載入與回存架構)：優點是可減少到memory存取運算元的次數提高效率
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定址指示欄位：用來指示運算元資料的定址模式
addressing mode(定址模式)用途：
1用來推算出運算元的EA(effective address,有效位址),或是取得運算元的方法
2定址模式豐富,會減少IC,但可能增加CPI和CT,若定址模式簡單則相反
五大類addressing mode：
direct addressing(直接定址法)/absolute mode(絕對定址法)：運算元位址=存放在運算元欄位
1最簡單的定址模式,只需要到memory存取一次即可得到運算元
2使用此模式的程式執行時,不允許隨意搬動程式位置
3運算元欄位的長度要配合memory定址空間大小,若欄位為nbit,則可提供2^n的定址空間
4欄位的位址可指到,flag,register,memory,因此有分成flag direct addressing，register direct addressing，memory direct addressing
indirect addressing(間接定址法)：運算元位址=存放在memory或register中,然後在放到運算元欄位中
1常用於subroutine linkage(副程式之間的連結)，表示副程式之間的dynamic linking(動態連結)
2提供極大的彈性，但會使程式的執行效率變差
3必須經過兩次存取，第一次先存取到有效位置，第二次在用有效位置取得運算元
4可細分為：
register indirect addressing：適合用於存取連續位址的資料
memory indirect addressing
relative addressing(相對定址法)：運算元位址=運算元欄位的值+register所指的memory起始位址
1最普遍的定址模式
2允許程式在執行可隨意搬動位置
3比直接定址的執行效率差
4可明確或隱含的放在指令中,因此有二種:
base address relative(基底相對定址)：相對位址是指運算元相對於程式的起始位置
program counter relative(程式計數相對定址)：相對位址是指運算元相對於下道指令的位址
immediate data addressing(立即資料定址法):運算元本身放於指令的運算元欄位中
1可視為program counter relative，但相對位址必須是0
2執行效率最佳，只能存取較小的常數資料
indexed addressing(索引定址法):運算元在主記憶體的實際位址可由一個index register(索引暫存器)的內容所更改
1適合對連續位址的運算元進行存取，常用於陣列資料存取
2需要較多的位置計算
3需與其他位址法一起合用，可產生如下模式：
index memory direct(記憶體直接索引):運算元位置=指令中運算元欄位的值+索引暫存器的值
preindexed register indirect(暫存器間接先索引)：運算元位置=register的值+索引暫存器的值，最後使用間接定址法求值
postindexed register indirect(暫存器間接後索引)：運算元位置=使用間接定址法求出register的值，最後在加上索引暫存器的值
preindexed memory indirect(記憶體間接先索引)：運算元位置=指令中運算元欄位的值+索引暫存器的值，最後使用間接定址法求值
postindexed memory indirect(記憶體間接後索引)：運算元位置=使用間接定址法求出運算元欄位的值，最後在加上索引暫存器的值
indexed base address relative(基底相對索引)：運算元位置=base address relative的結果+索引暫存器的值
indexed program counter relative(程式計數相對索引)：運算元位置=program counter relative的結果+索引暫存器的值
ex:設@(m_addr)=value表示記憶體位置為m_addr上的資料為value
而現在記憶體為 @(250)=750,@(255)=530,@(300)=90,@(305)=860,@(530)=395,@(750)=440,@(755)=950
若有個單一位置指令為[load][250]，索引暫存器=5，基底暫存器=50
用direct addressing，則運算元位置=運算元欄位上的250，所以運算元=位置為250的值=@(250)=750
用indirect addressing，則運算元位置=m_addr為250的值=@(250)=750，所以運算元=位置為750的值=@(750)=440
用base address relative，則運算元位置=運算元欄位上的250+50=300，所以運算元=位置為300的值=@(300)=90
用immediate data addressing，則運算元位置=無，所以運算元=運算元欄位上的250
用index memory direct，則運算元位置=運算元欄位上的250+5=255，所以運算元=位置為255的值=@(255)=530
用preindexed memory indirect，則運算元位置=m_addr為250+5的值=@(255)=530，所以運算元=位置為530的值=@(530)=395
用postindexed memory indirect，則運算元位置=m_addr為250的值+5=@(250)+5=755，所以運算元=位置為755的值=@(755)=950
用indexed base address relative，則運算元位置=運算元欄位上的250+5+50=305，所以運算元=位置為305的值=@(305)=860
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其他指令
MIPS(microprocessor without interlocking pipe stages)的指令
格式有3種：
format1,32bit [6:opcode][5:src1][5:src2][5:dest][5:shift][6:function]
使用暫存器直接或間接定址模式
format2,32bit [6:opcode][5:src][5:dest][16:immediate constant]
使用immediate data addresing或indexed addresing
format3,32bit [6:opcode][26:jump target]
使用direct addresing
NOP (no operation instruction不運算指令)
浪費中央處理器時間，不會對執行狀態有任何改變
主要應用有
1早期可讓機器指令撰寫容易維護
2可讓程式正確地在指令管線中執行，防止structure hazard(結構危機)
3配合程式互相協調，可提供任意長度的延遲時間
MMX(Multi-Media eXtension,多媒體延伸指令集技術)
由Intel所發展
做法: 對CPU的暫存器特別設計,加上57組延伸指令
用途:加強CPU對圖形,影像,聲音等資料處理的速度,讓電腦在處理多媒體與網路通訊方面能有更良好的表現
特點:改變過去CPU處理傳遞資料的方式
已往即使是零碎資料，在傳遞時仍會佔用整個資料傳遞路線
現在MMX會將傳輸線路分割，並整合零碎資料，以便同時處理多筆類似資料，加速資料處理的速度
ps:含MMX技術的CPU，代表性產品是Pentium P55C