ISA 可以看作是连接汇编层代码和硬件的操控指令集合, 例如 汇编会有 ADD r1, r2, r3 的指令，我们利用 ISA 就会将指令转换为 r2 + r3 -> r1

常见分类 Classification

x86 架构

由 intel 公司开发，为 32 位处理器，一般在上世纪末的电脑中比较常见
由于 232≈22×230=4×10003=4GB2^{32}\approx 2^2 \times 2^{30} = 4\times 1000^3 = 4GB 即地址循迹的范围小于等于 4GB, 也就是内存大小不超过 4G

amd64 架构

由 amd 公司在上世纪发明，一般为 64 位处理器，后面 intel 公司也制造这个架构
现在被大量的 pc 使用

ARM 板 Advanced RISC Machine

设计公司是 arm, 非常适用于移动通信领域, 具有 低成本、高性能、低耗电的特性
现在用于大量的手机等可移动设备使用
近年来的 mac silicone 用 arm 架构

RISC-V 锐克五代

  • 开源
  • 学术界青睐，因为没有昂贵的 license 费用

硬件发展与运算速度

Moore’s Law

由 Intel 创始人之一戈登·摩尔提出
集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍

Dennard Scaling

随着晶体管变小，其功率密度保持不变，因此功耗与面积成比例

局限性

自 2005-2007 年左右以来，登纳德缩放定律似乎已失效。截至 2016 年，集成电路中的晶体管数量仍在增长，但由此带来的性能提升比频率大幅提高带来的加速更为缓慢。
失效的主要原因是，在小尺寸下，电流泄漏会带来更大的挑战，还会导致芯片发热，从而造成热失控的威胁，从而进一步增加能源成本

内存的问题 Memory

计算机运行程序的时候，其实会将程序保存在一定的数字地址中。
在计算机中，数值按照二进制进行保存，因为计算机使用的线只能读取到高低电平，即 0-1 分布

二进制的优化

由于二进制数太长且不适合人类阅读，我们用 2 的指数倍作为进制基底来快速化简二进制，所以诞生了 16 进制 (hexadecimal) 在书写的时候:

  • 二进制的写法: 0b 开头 + 剩余内容
  • 十六进制的写法: 0x 开头 + 剩余内容

内存与寄存器

C 语言指令是操作变量的，而汇编语言是操作地址的，这会导致指令非常长（地址本身很长）且内存本身的读取、存储非常慢 (对于同一块代码块，我们并不想要多次出入这块内存，因为会导致时间的严重浪费)

寄存器 register

现代的 isa 中一般会有 固定长度的硬件组成的 寄存器
对于一般的 load-store architecture:

  • load: 将数值从 内存 转移到 寄存器
  • store: 将数据从寄存器转移到 内存
    这样，我们就不需要每次使用数据都到 内存块中去读取数据，而是可以使用寄存器直接暂存数据 （可能会涉及多个 寄存器之间的数据转存、数据运算）

指令控制流 Control Flow

在程序运行的时候，C 会不断执行下一行代码，直到 function 调用 / return / if / for / while 循环 才结束标准顺序执行
而对于一个汇编代码，会有一个程序计数器 Program Counter (PC) 来记录指令的序号，并且一直向下执行，直到:

  1. 遇到 branch / jump 指令

冯诺依曼架构 Von Neumann Architecture

冯诺依曼结构是什么

核心思想是将程序和数据存储在同一个存储器中，并由中央处理器（CPU）来执行
如下就是冯诺依曼的结构图
von_neumann_structure_concept.jpg
而一般的程序内存分配如下:
这个分配方式是符合冯诺依曼结构的
memory_distribution_image.png

冯氏结构的执行逻辑

在冯诺依曼架构下，硬件会一直执行以下逻辑 (fde)

  1. fetch: 读取下一个指令，使用 PC 计数器找到下一个指令的内存地址 并且将之放到 指令寄存器 Instruction Register (IR)
  2. decode: 检查 ir 中的指令并且判断接下来要做完成什么指令
  3. execute: 将解码结果按照其指令执行，完成算术或者逻辑指令; 找到指令指向的地址; 更改 PC 的值 (实现循环)

哈佛结构 Haward Architecture