核心指令集發(fā)展回顧

1、核心指令集發(fā)展回顧    什么是CPU指令集？ CPU作為一臺(tái)電腦中的核心，它的作用是無法替代的。而CPU本身只是在塊硅晶片上所集成的超大規(guī)模的集成電路，集成的晶體管數(shù)量可達(dá)到上億 個(gè)，是由非常先進(jìn)復(fù)雜的制造工藝制造出來的，擁有相當(dāng)高的科技含量。然而如此一顆精密的芯片為什么能夠控制一個(gè)龐大而復(fù)雜的電腦系統(tǒng)呢？這就是CPU中所 集成的指令集。所謂指令集，就是CPU中用來計(jì)算和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一套指令的集合，而每一種新型的CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其他硬件電路相配合的 指令系統(tǒng)。而指令集的先進(jìn)與否，也關(guān)系到CPU的性能發(fā)揮，它也是CPU性能體現(xiàn)的一個(gè)重要

2、標(biāo)志。    再強(qiáng)大的處理器也需要指令集的配合才行（圖片出自電影機(jī)械公敵） CPU的指令集從主流的體系結(jié)構(gòu)上分為精簡指令集和復(fù)雜指令集，而在普通的計(jì)算機(jī)處理器基本上是使用的復(fù)雜指令集。在計(jì)算機(jī)早期的發(fā)展過程中， CPU中的指令集是沒有劃分類型的，而是都將各種程序需要相配合的指令集成到CPU中，但是隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的功能也越來越強(qiáng)大，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的元件 也越來越多，而且越來越復(fù)雜，CPU的指令也相應(yīng)的變得十分復(fù)雜，而在使用過程中，并不是每一條指令都要完全被執(zhí)行，在技術(shù)人員的研究過程中發(fā)現(xiàn)，約有 80的程序只用到了20的指令，而一些過于冗余的指令嚴(yán)重影響

3、到了計(jì)算機(jī)的工作效率，就這一現(xiàn)象，精簡指令集的概念就被提了出來。 精簡指令集RISC就是（Reduced Instruction Set Computing）的縮寫，而復(fù)雜指令集CISC則是（Complex Instruction Set Computing）的縮寫。它們之間的不同之處就在于RISC指令集的指令數(shù)目少，而且每條指令采用相同的字節(jié)長度，一般長度為4個(gè)字節(jié)，并且在字邊界 上對(duì)齊，字段位置固定，特別是操作碼的位置。而CISC指令集特點(diǎn)就是指令數(shù)目多而且復(fù)雜，每條指令的長度也不相等。在操作上，RISC指令集中大多數(shù)操 作都是寄存器到寄存器之間的操作，只以簡單的Load（讀?。┖蚐otr

4、e（存儲(chǔ)）操作訪問內(nèi)存地址。因此，每條指令中訪問的內(nèi)存地址不會(huì)超過1個(gè)，指令 訪問內(nèi)存的操作不會(huì)與算術(shù)操作混在一起。在功能上，RISC指令集也要比復(fù)雜指令集具有優(yōu)勢(shì)，精簡指令集可以大大簡化處理器的控制器和其他功能單元的設(shè) 計(jì)，不必使用大量專用寄存器，特別是允許以硬件線路來實(shí)現(xiàn)指令操作，從而節(jié)約的處理器的制造成本。而采用CISC指令集的處理器是使用微程序來實(shí)現(xiàn)指令操 作，在執(zhí)行速度上不如RISC指令集。另外，RISC還加強(qiáng)了并行處理能力，非常適合于采用處理器的流水線、超流水線和超標(biāo)量技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)指令級(jí)并行操 作，提高處理器的性能。而且隨著VLSI（Very Large Scale Integr

5、ation超大規(guī)模集成電路）技術(shù)的發(fā)展，整個(gè)處理器的核心甚至多個(gè)處理器核心都可以集成在一個(gè)芯片上。RISC指令集的體系結(jié)構(gòu)可以給設(shè)計(jì) 單芯多核處理器帶來很多好處，有利于處理器的性能提高。 由于RISC指令集自身的優(yōu)勢(shì)，在處理器的高端服務(wù)器領(lǐng)域的處理器上得到了廣泛的運(yùn)用，而CISC指令集主要運(yùn)用桌面領(lǐng)域的處理器產(chǎn)品中，比如 Intel的Pentium系列和AMD的K8系列處理器。然而現(xiàn)在RISC指令集也不斷地向桌面領(lǐng)域滲入，相信以后的處理器指令集會(huì)慢慢的向RISC體 系靠攏，使得處理器的指令集結(jié)構(gòu)更加完善，功能更為強(qiáng)大，技術(shù)也越來越成熟。    指令集的發(fā)

6、展史 而說到指令集的發(fā)展，就不得提到目前主流處理器所采用的X86架構(gòu)。所謂X86架構(gòu)的處理器就是采用了Intel X86指令集的處理器，X86指令集是Intel公司為其第一塊16位處理器i8086所專門開發(fā)的。而IBM在1981年所推出的第一臺(tái)PC機(jī)上所使用 的處理器i8088（i8086的簡化版）也是使用的X86指令集，但是為了增加計(jì)算機(jī)的浮點(diǎn)運(yùn)算能力，增加了X87數(shù)學(xué)協(xié)助處理器和加入了X87指令 集，于是就將采用了X86指令集和X87指令集的處理器統(tǒng)稱為X86架構(gòu)的處理器。    第一塊支持X86指令集的Intel i8086處理器 到目前為止，In

7、tel公司所生產(chǎn)的大部分處理器都是屬于X86架構(gòu)的處理器，包括像i80386、i80486和Pentium系列處理器等 等。而Intel公司以外，AMD和Cyrix等廠商也在生產(chǎn)集成了X86指令集的處理器產(chǎn)品，而這些處理器都能夠與支持Intel處理器的軟件和硬件相 兼容，所以也就形成了今天龐大的X86架構(gòu)的處理器陣容。 然而隨著處理器技術(shù)的發(fā)展，雖然處理器的主頻和制造工藝都有一定的進(jìn)步，但是處理器的性能確不能非常明顯的提高，其中一個(gè)非常重要的原因就是受到了X86所采用的SISC指令集的限制。這一點(diǎn)Intel方面也非常清楚。而目前IA-32（Intel Architechure-32 英特爾32

8、位體系架構(gòu)）的X86系列處理器存在著一系列的問題，使得Intel方面已經(jīng)打算放棄X86指令體系處理器的發(fā)型，而將重點(diǎn)放在下一代的IA-64體系處理器和EPIC（Explicitly Parallel Instruction Computing）顯性并行指令方面。    X86架構(gòu)處理器示意圖 首先，我們要知道，提高處理器每個(gè)時(shí)鐘頻率的指令執(zhí)行數(shù)來提高處理器的性能，而這也是Intel開發(fā)新指令集的主要目的，這樣一來，處理器可以 讓指令更容易解碼，并且更容易進(jìn)行并行處理，這樣就可以不受指令集的限制來開發(fā)新型的處理器。而X86指令集的劣勢(shì)就在于它的限制過多。

9、第一、由于X86指令集是屬于CISC類型的指令集，其每條指令的長度是不固定的，而且有幾種不同的格式，這樣一來，就造成了X86處理器的解 碼工作非常復(fù)雜。而為了提高處理器的工作頻率，就不得不延長處理器中的流水線，而過長的流水線在分支如果出現(xiàn)預(yù)測(cè)出錯(cuò)的情況，又會(huì)帶來CPU工作停滯時(shí)間 較長的弊端。 第二、X86指令采用了可訪問內(nèi)存地址的方法，這樣的方法容易造成處理器與內(nèi)存之間的不平衡工作，從而降低處理器的工作效率。而先進(jìn)的RISC 處理器則是使用Load/Store的存儲(chǔ)模式，其中只有Load和Store指令才能從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)到寄存器，所有其他指令只對(duì)寄存器中的操作數(shù)進(jìn)行 計(jì)算。 第三、X86構(gòu)

10、架處理器中的FPU（Floating Point Unit）浮點(diǎn)運(yùn)算單元的運(yùn)算能力較差，可以說現(xiàn)今市面上所有類型處理器中最慢的，其主要原因就是X86指令集中所使用的一個(gè)操作數(shù)堆棧。如果在運(yùn)算過程 中，沒有足夠的寄存器進(jìn)行計(jì)算，系統(tǒng)就不得不使用堆棧來存放數(shù)據(jù)，這樣一來會(huì)浪費(fèi)大量的時(shí)間來處理FXCH指令，就是將正確的數(shù)據(jù)放到堆棧的頂部。 第四、X86指令對(duì)于各種擴(kuò)展部件的限制也是十分不利的。首先，X86架構(gòu)的處理器對(duì)于4GB的內(nèi)存容量上限制，雖然現(xiàn)在目前主流的個(gè)人電腦的 內(nèi)存大小為512MB和1GB，但是相信隨著操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的不斷提升，會(huì)快將會(huì)突破4GB的內(nèi)存容量。另外，由于為了提高X86架

11、構(gòu)的處理器的性 能，而出現(xiàn)像寄存器重命名、緩沖器巨大、亂序執(zhí)行、分支預(yù)測(cè)、X86指令轉(zhuǎn)化等等現(xiàn)象，都使得處理器的核心面積變得越來越大，這也限制了處理器工作頻率的 進(jìn)一步提升，此外，處理器所集成的這些龐大數(shù)目的晶體管都只是為了解決X86指令的問題，所以繼續(xù)采用X86架構(gòu)必將會(huì)影響到處理器的發(fā)展。 而反觀IA-64體系，由于采用了RISC指令集，可由一個(gè)指令、兩個(gè)輸入寄存器和一個(gè)輸出寄存器組成，指令只對(duì)寄存器進(jìn)行操作。并且具有多個(gè)不同的流水線或執(zhí)行單元，能夠并行執(zhí)行許多指令。在對(duì)指令的處理速度上要明顯優(yōu)于CISC類型的IA-32體系。 而Intel的Merced（也就是現(xiàn)在Itanium安騰）處理

12、器就是一塊采用IA-64體系的64位處理器。它擁有64位尋址能力和64位 位寬的寄存器，所以稱之為64位處理器。由于具有64位尋址能力，Merced能夠使用1百萬TB（1TB1024GB）的地址空間，足以運(yùn)算企業(yè)級(jí)的 數(shù)據(jù)任務(wù)，64位寬的寄存器可以使Merced 達(dá)到非常高的精度和運(yùn)算速度。它所采用的EPIC指令可以使得處理器進(jìn)行并行處理，在相同的時(shí)鐘周期內(nèi)，采用并行處理的指令執(zhí)行數(shù)是普通CISC指令集的 兩倍。此外，Merced可進(jìn)行并行分支預(yù)測(cè)。在目前的普通的處理器中，分支預(yù)測(cè)的正確率可以達(dá)到9095，雖然正確率已經(jīng)相當(dāng)高了，但如果預(yù)測(cè)出 錯(cuò)時(shí)，處理器就不得不清洗整條流水線，從而降低處理器

13、的運(yùn)算效率。10的預(yù)測(cè)出錯(cuò)率會(huì)讓處理器損失近30的性能，而且如果流水線越長的情況下，性能損 失就越嚴(yán)重。而Merced的所采用的預(yù)測(cè)機(jī)制，可以使分支都能進(jìn)行并行執(zhí)行，而且所花的招待時(shí)間與執(zhí)行單個(gè)分支的時(shí)間是相同的。其次，處理器不會(huì)再冒預(yù) 測(cè)出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。由于處理器不再進(jìn)行跳躍執(zhí)行，它不會(huì)把程序代碼分成一個(gè)一個(gè)的小塊。而是將稍前和稍后的程序代碼進(jìn)行打包，然后一起將它們發(fā)布，加強(qiáng)了并行 工作量。這些可以使采用EPIC指令的處理器避免普通處理器所出現(xiàn)的分支預(yù)測(cè)40的出錯(cuò)情況，從而使處理器的性能提高1015，特別是在整數(shù)代碼 部分。    Intel的Merced

14、處理器 提升性能：擴(kuò)展指令集 剛才上面提到了處理器中的擴(kuò)展指令集，目前市面上Intel和AMD的桌面級(jí)處理器在X86指令集的基礎(chǔ)上，為了提升處理器各方面的性能，所以 又各自開發(fā)新的指令集。指令集中包含了處理器對(duì)多媒體、3D處理等方面的支持，這些指令集能夠提高處理器對(duì)這某些方面處理器能力，但是需要有必要的軟件支 持。 MMX指令集 MMX（Multi Media eXtension 多媒體擴(kuò)展指令）指令集是Intel公司在1996年為旗下的Pentium系列處理器所開發(fā)的一項(xiàng)多媒體指令增強(qiáng)技術(shù)。MMX指令集中包括了57條多媒 體指令，通過這些指令可以一次性處理多個(gè)數(shù)據(jù)，在處理結(jié)果超過實(shí)際處理能力

15、的時(shí)候仍能夠進(jìn)行正常處理，如果在軟件的配合下，可以得到更強(qiáng)的處理性能。使用 MMX指令集的好處就是當(dāng)時(shí)所使用的操作系統(tǒng)可以在不做任何改變的情況下執(zhí)行MMX指令。但是，MMX指令集的問題也是比較明顯的，MMX指令集不能與 X86的浮點(diǎn)運(yùn)算指令同時(shí)執(zhí)行，必須做密集式的交錯(cuò)切換才可以正常執(zhí)行，但是這樣一來，就會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行速度的下降。    支持MMX指令集的Intel Pentium MMX處理器 SSE指令集 SSE是Streaming SIMD Extension（SIMD擴(kuò)展指令集）的縮寫，而其中SIMD的為含意為Single Istruction

16、 Multiple Data（單指令多數(shù)據(jù)），所以SSE指令集也叫單指令多數(shù)據(jù)流擴(kuò)展。該指令集最先運(yùn)用于Intel的Pentium III系列處理器，其實(shí)在Pentium III推出之前，Intel方面就已經(jīng)泄漏過關(guān)于KNI（Katmai New Instruction）指令集的消息。這個(gè)KNI指令集也就是SSE指令集的前身，當(dāng)時(shí)也有不少的媒體將該指令集稱之為MMX2指令集，但是Intel 方面卻從沒有發(fā)布有關(guān)MMX2指令集的消息。    加入了SSE指令集的Pentium III處理器 最后在Intel推出Pentium III處理器的時(shí)候，SSE指令

17、集也終于水落石出。SSE指令集是為提高處理器浮點(diǎn)性能而開發(fā)的擴(kuò)展指令集，它共有70條指令，其中包含提高3D圖形運(yùn)算 效率的50條SIMD浮點(diǎn)運(yùn)算指令、12條MMX 整數(shù)運(yùn)算增強(qiáng)指令、8條優(yōu)化內(nèi)存中的連續(xù)數(shù)據(jù)塊傳輸指令。理論上這些指令對(duì)當(dāng)時(shí)流行的圖像處理、浮點(diǎn)運(yùn)算、3D運(yùn)算、多媒體處理等眾多多媒體的應(yīng)用能力起 到全面提升的作用。SSE指令與AMD公司的3DNow!指令彼此互不兼容，但SSE包含了3DNow!中的絕大部分功能，只是實(shí)現(xiàn)的方法不同而已。 SSE也向下兼容MMX指令，它可以通過SIMD和單時(shí)鐘周期并行處理多個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)來有效地提高浮點(diǎn)運(yùn)算速度。 3DNow!指令集 3DNow!指令集最由

18、AMD公司所推出的，該指令集應(yīng)該是在SSE指令之前推出的，被廣泛運(yùn)用于AMD的K6、K6-2和K7系列處理器上， 擁有21條擴(kuò)展指令集。在整體上3DNow!的SSE非常相相似，它們都擁有8個(gè)新的寄存器，但是3DNow!是64位的，而SSE是128位。所以 3DNow!它只能存儲(chǔ)兩個(gè)浮點(diǎn)數(shù)據(jù)，而不是四個(gè)。但是它和SSE的側(cè)重點(diǎn)有所不同，3DNow!指令集主要針對(duì)三維建模、坐標(biāo)變換和效果渲染等3D數(shù)據(jù) 的處理，在相應(yīng)的軟件配合下，可以大幅度提高處理器的3D處理性能。AMD公司后來又在Athlon系列處理器上開發(fā)了新的Enhanced 3DNow!指令集，新的增強(qiáng)指令數(shù)達(dá)了52個(gè)，以致目前最為流行的

19、Athlon 64系列處理器還是支持3DNow！指令的。    AMD K6、K7系列所使用的3DNow!指令集 SSE2指令集 在PentiumIII發(fā)布的時(shí)候，SSE指令集就已經(jīng)集成在了處理器的內(nèi)部，但因?yàn)楦鞣N原因一直沒有得到充分的發(fā)展。直到Pentium 4發(fā)布之后，開發(fā)人員看到使用SSE指令之后，程序執(zhí)行性能將得到極大的提升，于是Intel又在SSE的基礎(chǔ)上推出了更先進(jìn)的SSE2指令集。 SSE2包含了144條指令，由兩個(gè)部分組：SSE部分和MMX部分。SSE部分主要負(fù)責(zé)處理浮點(diǎn)數(shù)，而MMX部分則專門計(jì)算整數(shù)。SSE2的 寄存器容量是MMX寄存器

20、的兩倍，寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也增加了兩倍。在指令處理速度保持不變的情況下，通過SSE2優(yōu)化后的程序和軟件運(yùn)行速度也能夠提高兩 倍。由于SSE2指令集與MMX指令集相兼容，因此被MMX優(yōu)化過的程序很容易被SSE2再進(jìn)行更深層次的優(yōu)化，達(dá)到更好的運(yùn)行效果。SSE2對(duì)于處理器 的性能的提升是十分明顯的，雖然在同頻率的情況下，Pentium 4和性能不如Athlon XP，但由于Athlon XP不支持SSE2，所以經(jīng)過SSE2優(yōu)化后的程序Pentium 4的運(yùn)行速度要明顯高于Athlon XP。而AMD方面也注意到了這一情況，在隨后的K-8系列處理器中，都加入SSE2指令集。  

21、60; SSE2和SSE3指令集主要用于Pentium 4系列處理器上 SSE3指令集 SSE3指令是目前規(guī)模最小的指令集，它只有13條指令。它共劃分為五個(gè)應(yīng)運(yùn)層，分別為數(shù)據(jù)傳輸命令、數(shù)據(jù)處理命令、特殊處理命令、優(yōu)化命令、 超線程性能增強(qiáng)五個(gè)部分，其中超線程性能增強(qiáng)是一種全新的指令集，它可以提升處理器的超線程的處理能力，大大簡化了超線程的數(shù)據(jù)處理過程，使處理器能夠更 加快速的進(jìn)行并行數(shù)據(jù)處理。 上面介紹的基本上就是Intel和AMD公司在X86架構(gòu)處理器上主要的擴(kuò)展指令集，雖然它們對(duì)于處理器的性能提升有著一定程度的幫助，但是由 于受到IA-32體系的限制，X86架構(gòu)基本上不會(huì)再有具有

22、革命性意義的指令集出現(xiàn)，而雙方都已經(jīng)把重心轉(zhuǎn)向了64位體系架構(gòu)的處理器指令集開發(fā)上。 未來：邁向64位體系 在現(xiàn)在的處理器市場(chǎng)上，64位技術(shù)已經(jīng)開始普及起來，像AMD的Athlon 64處理器和Intel的Pentium 5XX/6XX處理器已經(jīng)成為市場(chǎng)的主流。但是大家要值得主意的是，目前的桌面級(jí)64位處理器仍然還是基于X86架構(gòu)之上，而不是IA-64架構(gòu)。這里的64位處理器是指的處理器的通用寄存器GPR（General-Purpose Registers）的數(shù)據(jù)寬度為64位。也就是說處理器可一次運(yùn)算64 位數(shù)據(jù)。使用64位技術(shù)運(yùn)算有兩大優(yōu)點(diǎn)：可以進(jìn)行更大范圍的整數(shù)運(yùn)算，還有就是可以支持更大容

23、量的內(nèi)存。但是要注意的是，不要看表面64 位是32位兩倍，就簡單的認(rèn)為64位處理器的性能是32位處理器性能的兩倍。就在目前的32位主流平臺(tái)下，32位的處理器在某些方面甚至要比64位處理器還要強(qiáng)，所以在32位操作系統(tǒng)和運(yùn)用程序?yàn)橹髑闆r下，不要太過于迷信64位處理器。 64位處理器技術(shù)并不是Intel和AMD處理器上才有的。早在上個(gè)世紀(jì)90年代末，在高端的采用RISC指令集的處理器中就已經(jīng)有了64位處 理器，比如SUN公司的UltraSparc 、IBM公司的Power5、HP公司的Alpha等處理器產(chǎn)品?，F(xiàn)在市面上主流的64位技術(shù)主要是Intel的EM64T技術(shù)和AMD和AMD64技 術(shù)。而這兩

24、項(xiàng)技術(shù)都是基于IA-32體系，而真正的IA-64體系上處理器目前只有Itanium（安騰）以及其后續(xù)產(chǎn)品，是Intel獨(dú)立開發(fā)的，它不 兼容現(xiàn)在32位計(jì)算機(jī)。 AMD64位技術(shù) AMD的athlon 64系列處理器的64位技術(shù)是在X86指令集的基礎(chǔ)上加入了X86-64的64位擴(kuò)展X86指令集，這就使得athlon 64系列處理器可兼容原來的32位的X86軟件，并同時(shí)支持X86-64的擴(kuò)展64位計(jì)算，并且具有64位的尋址能力，使得它成為真正的64位X86構(gòu)架 處理器。在采用X86-64架構(gòu)的Athlon 64處理器中，X86-64指令集中新增了幾組處理器寄存器，它能夠提供更加快速的執(zhí)行效率。寄存

25、器是處理器用來創(chuàng)建和儲(chǔ)存CPU運(yùn)算結(jié)果和其他運(yùn)算結(jié)果 的地方，標(biāo)準(zhǔn)的X86構(gòu)架中包括8組通用寄存器，而在AMD的X86-64架構(gòu)中又增加了8組，將通過寄存器的數(shù)目提高到了16組。在這基礎(chǔ)之上，X86 -64指令集還另外增加了8組128位的XMM寄存器，也叫做SSE寄存器。它能夠給單指令多數(shù)據(jù)流技術(shù)（SIMD）運(yùn)算提供更多的存儲(chǔ)空間，這些128 位的寄存器能夠提供在矢量和標(biāo)量計(jì)算模式下進(jìn)行128位雙精度處理，這也為3D數(shù)據(jù)處理、矢量分析和虛擬技術(shù)提供了良好的硬件基礎(chǔ)。由于提供了更多的寄存 器，按照X86-64標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的處理器可以更有效率的處理數(shù)據(jù)，在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)能夠傳輸更多的信息。    采用X86-64架構(gòu)的AMD Athlon 64處理器 EM64T技術(shù) EM64T（Extended Memory 64 Technology）也就是Intel公司開發(fā)的64位內(nèi)存擴(kuò)展技術(shù)。它實(shí)際上就是Intel IA-32構(gòu)架體系的擴(kuò)展，既IA-32E（Intel Architectur-3