CPU掃盲-CPU與指令集

指令集架構就像是特定的CPU的設計圖紙，它規定了這個CPU需要支援那些指令、寄存器有那些狀态以及輸入輸出模型。根據指令集結構的設計，在CPU上通過硬體電路進行實作，就得到了支援該指令集的CPU。指令集就像是我們程式設計語言中的接口，隻定義規範和标準，不做具體的實作，同一個指令集架構可以有多種不同的實作方式，但隻要是基于同一指令集架構的應用程式可以互相移植。是以我們上層應用隻需要關注CPU的指令集架構即可，具體的CPU實作由廠商去關注。

​ 很多非開發的同學指令集名稱與CPU名稱分不清。這是因為一種 CPU 隻能識别一種指令集，是以很多情況下 CPU 都以其支援的指令集名稱來稱呼，比如當我們要下載下傳軟體時通常關注的就是指令集的名稱x86、ARM等，但是我們在買電腦時廠商備注的卻是酷睿12代、龍芯3C5000、飛騰2000等，是以導緻有的同學會把龍芯、飛騰、酷睿與x86、ARM搞混。這裡的龍芯、飛騰、酷睿指的是CPU的名稱，名字可以有CPU的廠商來取。而x86、ARM則是指令集的名稱，基本都是由國外最早的幾家處理器廠商創造并命名的如：x86是美國Intel公司、ARM是英國的ARM公司。

​ CPU本身隻是在塊矽晶片上所內建的超大規模的內建電路，內建的半導體數量可達到上億個，是由非常先進複雜的制造技術制造出來的，是以CPU的性能不僅僅受指令集的影響，相同的指令集下好的CPU廠商和差的CPU廠商制造出來的CPU性能也是天差地别的，如：蘋果自研的m1晶片，使用的就是ARM指令集，但其性能吊打很多使用ARM指令集的CPU廠商（這個不得不承認）。

​ 相信大家也知道國内很多優秀CPU廠商如：long xin、fei teng、kun peng等，目前隻有老大哥long xin自研了LoongArch指令集。為何其他廠商都選擇走捷徑采用的國外的指令集呢？指令集的創造真的那麼難嗎？雖然創造一套指令集并不容易，但也沒有到望而卻步的程度，真正難的是指令集背後的生态和推廣。就像我自己可以發明一門語言，語言本身沒什麼問題，問題是我用自己發明的語言和别人交流，誰聽得懂呢，誰又願意去學這門語言呢？大家都很忙，不通用的東西沒人願意花精力去學。同一段機器指令010001110（随便寫的)，在A指令集下這組機器語言可能表示指派，在B指令集下，這組機器語言可能表示循環，是以相同一段源代碼，在不同指令集的編譯器下，最終呈現的編譯結果是不同的，雖然都是由01組成的二進制數字，但是長短和順序是不同的，是以每個指令集都要有對應的編譯器、彙編器、解釋器（後文暫且統稱編譯器），編譯後的彙編語言和機器語言是不能跨指令集使用的。試想如果要自立門戶創造新的指令集，那有誰願意給它寫編譯器呢？這可不是一個小工程，他要跟着指令集的疊代而疊代，也要自己不斷的優化疊代，需要大量的人力成本和時間成本。即使自己完成了編譯器，要知道每種指令集都有他自己的新特性以及一些特殊指令，不然也沒必要重複造輪子，如果一些軟體使用了ARM或者x86的特殊指令（一些内嵌彙編語言的軟體，如：jvm的模版解釋器就使用了彙編語言），那這些軟體就要自己修改源代碼來适配新的指令集，軟體的開發程式員自然罵娘。是以自研指令集并不難，難的是如何推廣，讓大家用起來。這裡要再吹一下老大哥long xin，long xin釋出LoongArch指令集的同時，完成了針對GCC、LLVM、GoLang三大編譯器的開發，完成了針對Java、JavaScript、.NET三大虛拟機的開發，使作業系統廠商和應用夥伴，可基于long xin的軟體環境，更友善地開發應用。long xin為了能夠更好的适應市場，也為了避免軟體程式員罵娘，投入巨大成本完成ARM和x86指令集的二進制翻譯工作，使運用了ARM和x86特性的軟體也不用修改源碼即可适配，但指令集翻譯本身隻是過渡的手段，為了增加使用者群體，我相信随着long xin的獨立軟體生态逐漸強大，指令集翻譯就會越來越邊緣化，成為錦上添花之舉。long xin的自研指令集也為全面國産化奠定了牢固的基礎，在此也希望國内更多軟體廠商能給與long xin支援，待到中華騰飛日，且讓世界聽龍吟。

​ 至此CPU和指令集的關系已經講解完畢，我們在下載下傳軟體時除了要選擇指令集之外，還要選擇32位還是64位如： * * * .x86_32、 * * *.x86_64，我們已經知道了x86代表的是指令集，那32位和64位是指什麼呢？

​ 這裡32 位和 64 位中的“位”就是bit，也叫字長，是指的是cpu一次能處理的資料的長度（也就是寄存器的位數）。這裡有一個誤區很多人一直認為32位和64位代表的是CPU位址總線引腳的數量，因為談起32位和64位CPU的不同第一個想到的就是尋址空間不同，32位CPU最大可以尋址4GB的記憶體位址，64位CPU尋址範圍可以遠超4GB，而位址總線的數量對應着CPU的尋址能力（由于32位CPU位址總線引腳是32條，每根位址總線的狀态隻能是高電平或低電平，也就是隻能是1或0。 是以32位位址總線一共有232種狀态，每種狀态代表一個記憶體位址，每個記憶體位址為1位元組，是以232種狀态一共可以表示4GB的記憶體位址），是以這個誤區坑騙了很多人。在Intel x86指令集架構下的第一款CPU 80x86中，CPU是16位但位址引線卻是20條，通過将段基址寄存器中段基位址左移4位再加段内偏移位址的方式實作了20位位址尋址，是以說32和64指的并不是位址總線的數量。至于為什麼現在CPU不管是32位的還是64位其位址總線引腳數量都等于其位數，是因為現在不管是資源還是制造技術都遠勝當年，沒必要因為幾根位址總線再去做段基位址左移這種設計上的妥協，不然每次尋址前都要先做一次乘法對CPU的性能還是影響很大的。