该怎样去编写CPU指令呢？过程是怎样的

计算机是用来做什么的？顾名思义用来计算的。不过在现代的计算机应用中，计算不是计算机主要工作内容（这个是后话）。

要计算我们就需要计算电路。计算电路有很多比如加法电路，减法电路，当然还有乘法除法等等。这些电路都是建立在与或非门的基础之上的，这个在前面的章节有讲解过。向这些电路输入运算的数值，我们就能在输出端很快（需要时间）得到我们想要的结果。但在计算之前计算机需要知道我们要做什么运算，用哪两个数字做运算。   

通过DMX和MUX选取对应的运算电路

所以我们需要通过输入相应的指令来通知计算机。我们都知道计算机内部处理的都是0和1的电压信号，所以我们给计算机的指令也得是0和1。假设我们规定加法是000，减法是001，乘法是010，除法是011，当然还有100、101等等别的运算。如此输入计算机内，那么计算机就能够区分我们要做哪些运算了。还记得MUX和DMX吗？就是用这个部件来区分的。只能够区分哪些运算还不够，还得知道是哪些数。那也很简单，我们把要输入的数字和指令一起给计算机，比如11111（加数一） 00000（加数二） 000（加法），它的意思就是把11111和00000（二进制数）加起来。当然你也可以把000放到最前面，只要你的计算机能理解就行。

那么我们得出答案了，这个结果是11111（显而易见），这个数字会出现在加法器末端。那我想接着把这个数字乘二要怎么办呢？你当然可以再输11111 00001 010，这样就可以把11111乘2了。但是能不能更快一点呢?比如直接调用加法器结果11111？我们这里就需要用到寄存器来暂时存住数据。寄存器原理我们在之前的章节也曾讲过。我们现在设置32个寄存器分别命名为00000、00001……11111。

 

左：通过MUX选择要运算的寄存器

右：通过DMX选择要写回的寄存器

我们重写之前的加法命令，现在可以是11111 00000 000 00000（寄存器编号）。意思是把11111和00000相加，结果放到00000寄存器里。那么我们接下来想把相加后的结果乘二，指令是不是就可以这样写：00000 10 010 00001 ？你应该懂得意思是把00000寄存器里的数字和10相乘，把积放到00001寄存器里。但是计算机不懂得，而你也只是结合了上下文才能如此理解。我同样可以把这个指令认为是00和10相乘，把积放到01寄存器里。再者，我们输入进计算机的数字是连续的，之间才不会有这么有爱的空格，这就出现歧义了。怎么处理这个问题呢？也很简单。我们规定一下，这种直接写入在指令的运算的数字我们称之为立即数，这种立即数的长度必须是5位，因为如果不是和寄存器序号一样是五位的话，计算机设计起来比较麻烦。我们只约定了长度还不够，你还得告诉我这个五位数字是立即数还是寄存器序号。所以我们要再给指令加长两位。如果是前一个五位数是立即数，那么第一个标志位是1。第二个同理。所以上面的这个乘二指令可以这样写了：00000 00010 010 0000101（指示第二个五位数是立即数）。

还没结束，一般我们进行计算机编程的时候，代码最好是干练的，这样运行效率才最高。所以像第一个例子中的两个立即数相加的情况是很少出现的，因为没什么必要，程序员完全可以直接把两个数字的和直接写进程序中，不会让计算机每次运行程序时为此再重算一遍。况且这种两数相加完全可以通过两次使用立即数的方法得到。所以我们可以把上述乘2指令简化成00010 00000 010 00001 1。可以看到，前面两个五位数字调换了顺序，最后面的标志位变成了一位，其原因就是现在只会由第一个五位数字来充当立即数，而第二个永远是寄存器数字。有人会问，这样有什么好处吗？有的，指令少了一位。意味着十条指令少了十位，以前内存可是按位卖的……所以在能满足需求的情况下，要尽可能的短。但是这样也有弊病。

这样还不够，有人认为立即数就五位够什么用？这样的立即数太小了。那我们把立即数扩充到十二位，范式是000000000000 00000 000 00000 0，我们把第一个五位数扩充到了十二位。那计算机每次遇到指令的时候就先看一下最后的标准位，判断这条指令是立即数指令还是寄存器指令。如果是立即数指令，那就用得到十二位全部的数据，如果是寄存器指令，那就直接取最后五位数据，并对前面七位数字不作理会。有人有疑惑：不对啊，你前面刚说内存按位来卖，指令大小应该越少越好。那立即数指令长就长点，寄存器指令保持原长不好吗，这样不是很省内存空间吗？有道理，所以这种变长（长度变化）指令是之前的x86的做法。可是时代变了，今昔不同往日，内存早已不是按位来卖的，这点空间浪费问题不大，定长指令是现在的主流。（注意，定长指令并不是极其严格的长度一致。64位的计算机可以执行32位指令甚至16位指令，为的是软件的兼容性）更重要的是，这让硬件解码的工作来得轻松的多。并且想象一下，计算机指令是头尾相连在一起的，如果指令长度不一样，你甚至不知道第一个指令有多长，还得疯狂断句才能读懂（文言文即视感）。

今天应该算是把指令编写思路大致给讲清楚了，我们下次具体看看risc-v指令集，即人家是怎么设计CPU指令的，和我今天讲的有什么不同，以及如何在硬件中实现解码指令。



审核编辑：刘清