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計(jì)算機(jī)組成_北京大學(xué)_中國大學(xué)MOOC(慕課)

2 - 1 - 201-設(shè)計(jì)自己的計(jì)算機(jī)（14‘24’‘）_嗶哩嗶哩_bilibili

什么是指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)？這個(gè)問題其實(shí)非常簡單，但要想解釋清楚也沒有那么容易。我們還是從一個(gè)小故事開始吧。

有一天有兩個(gè)小伙伴碰了面，發(fā)現(xiàn)對(duì)方都很愁苦，溝通后發(fā)現(xiàn)雙方都碰到了一些運(yùn)算上的問題，于是兩人一拍即合，準(zhǔn)備一起解決這個(gè)問題。怎么解決呢？不如一起設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)吧。那怎么分工呢？一個(gè)小伙伴說：我是軟件程序猿，我來編寫如何運(yùn)算的軟件指令。另一個(gè)小伙伴說：那正好，我是硬件攻城獅，我來設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)的硬件，主要是CPU。

OK, 那我們就分頭干活吧！

真的就可以這么開始了嗎？怎么保證軟件程序猿寫的軟件就能在硬件攻城獅設(shè)計(jì)的硬件上運(yùn)行起來呢？所以他們還得商量商量，把共同的接口定義好，然后才能分頭去設(shè)計(jì)軟件和硬件。

那他們要商量的共同的接口，就是指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

他們面臨的計(jì)算任務(wù)并不復(fù)雜，所以只需要一個(gè)簡單的指令系統(tǒng)就可以了。看上去需要一個(gè)加法，所以先設(shè)計(jì)一個(gè)加法指令，另外存儲(chǔ)器和寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送需要兩條指令：LOAD和STORE。另外由于CPU是按照PC寄存器++來順序執(zhí)行指令的，有時(shí)候我們可能需要跳轉(zhuǎn)到其他位置執(zhí)行，這樣的話就還需要一條跳轉(zhuǎn)指令JMP。

這樣我們就設(shè)計(jì)出了一個(gè)簡單的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，能夠滿足當(dāng)前所需要進(jìn)行的運(yùn)算。

但是這個(gè)用英文單詞和字母描述的指令并不是計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制代碼，因此我們還要做進(jìn)一步的規(guī)定。

我們約定每條指令都是等長的，都是2個(gè)字節(jié)。其中第一個(gè)字節(jié)的高4位是操作碼，我們目前支持4種操作，所以只用到了其中的2位，實(shí)際上可以擴(kuò)展到16個(gè)操作。第一個(gè)字節(jié)的低4位是寄存器號(hào)，我們約定目前只提供4個(gè)寄存器（R0~R3）,實(shí)際上可以擴(kuò)展到16個(gè)寄存器。第二個(gè)字節(jié)是存儲(chǔ)單元地址，一共8位，所以可以索引256個(gè)存儲(chǔ)器。

在約定好指令格式以后，我們?cè)賮砜匆粋€(gè)可以執(zhí)行的任務(wù)的例子。

基于這樣的任務(wù)，軟件程序猿就可以編寫出下面的機(jī)器語言程序。當(dāng)然直接編寫機(jī)器語言程序是非常困難的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們現(xiàn)在可以通過編寫高級(jí)語言程序，再通過編譯器轉(zhuǎn)換成匯編語言程序，最后再轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言程序。

現(xiàn)在我們已經(jīng)寫好了一個(gè)程序，根據(jù)馮·諾依曼計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)程序的概念，我們把這個(gè)程序放到存儲(chǔ)器當(dāng)中。這里僅展示存儲(chǔ)器的一個(gè)片段，即存儲(chǔ)器的地址為5~18的存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容。

與此同時(shí)，硬件攻城獅也完成了CPU的設(shè)計(jì)，并將CPU和存儲(chǔ)器進(jìn)行連接，構(gòu)建出了完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（為了便于理解，存儲(chǔ)器中的內(nèi)容還是以匯編代碼的形式呈現(xiàn)。）

此時(shí)，如果CPU中的PC寄存器已經(jīng)裝入了0000 1000的地址，那么接下來的指令執(zhí)行過程，我們已經(jīng)很熟悉了。

現(xiàn)在我們已經(jīng)對(duì)什么是指令系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)有了初步了解，也知道了如何開始著手設(shè)計(jì)一個(gè)屬于自己的計(jì)算機(jī)。下一節(jié)我們將分析一些真實(shí)的體系結(jié)構(gòu)。