什么是ISA?CPU技术科普

描述

我(作者)开始写这东西基本上是由于太闲。发这篇文是由于,一来本身就是想科普,二来发现到很多人对isa,cpu架构的误解。

先说明关于本文的几点:

1.  既然是科普向,那不是专门写给专业人员看的,专业人员都喜欢看那些非常严肃,定义严谨的教科书,我本人是一个不大喜欢教科书式教育的人,所以这篇也不会是那种各种专业词语乱飞的文章。但是我没有在国内学习过cpu架构,所以有些名字我的确不喜欢或者不知道中文翻译,会用英语原文。尽量不用这种文绉绉的语气,多点用调侃或者比较非正式的话语。

2. 在这边的公司面试的时候,我遇到过一个比较有趣的问题是:

你要设计cpu,你怎么向你奶奶解释你现在的工作。

首先,我奶奶已经去世了,也没办法向她解释。其实,这是一个非常有趣的问题,为什么面试的时候回经常问?因为cpu设计行业里面,很多专业的知识,别说一般市民,即使是公司里面的其他员工,随时是跨领域的对话,所以,必须会用比较简单的例子来解释复杂的问题。

我当时回答是用厨房煮菜的过程来解释cpu的流水线,这篇文当然也会常常用到类似的比喻,不是因为我喜欢做菜或者我是吃货,是因为我当时只想到厨房。

3. 一篇全是文字的科普向文章是非常非常沉闷的,为了让读者不睡着,我会偶尔讲冷笑话,如果太冷了,本人水平有限,望包含!下面开始:

什么是ISA?

ISA, Instruction Set Architecture. 中文就是,指令,集合,架构。在计算机里面,什么是ISA呢?就是xx定义的一个指令集,这里的xx可以指任何东西。比如你只会做加法,你就定义一个叫假发ISA,这个指令集只做加法,这也是一个isa。

任何一个ISA对于另外一个isa都没有根本意义上的“先进”,ISA之间的对比是非常复杂的。你只会做加法,我只会做乘法,你说我们谁先进?我见得比较多的是争吵x86 ISA比ARM ISA先进的,我往往一脸懵逼,好像他们比我懂,我是不是不应该插一腿进去...

x86 ISA现在是Intel和AMD共同拥有,也就是说如果你要开新的x86  cpu公司你必须向这两者付版权费用,而且必须两者都同意你才能获得完整的ISA,如果你只获得一部分不完整的ISA,那就和完全没拿到ISA一样(编者:我突然想到最近AMD给国内X86授权,按照作者的意思,是不是国内拿到的X86授权是不完整的?因为感觉Intel没同意)。

ISA在cpu里面,就像是字典,用厨房的比喻就是菜谱,菜谱定义了你这个厨房会做什么菜,这个菜做出来是什么样什么味道,那么顾客在这家连锁店的任何一间都能叫到相同的菜,吃到相同的味道。

ARM ISA当然是ARM公司所有的,当时ARM公司是定菜单的,并且给出试菜的人,说你们每家店都要做出这个味才算ARM。而做店的则是不同的公司,像Qualcomn啦,他们中间喜欢怎么做菜是他们的自由,但是必须会那几道菜,必须做出这个味。

各家的菜单都一样,所以顾客不需要知道是谁做的菜,只要是这个菜单,做出来肯定一个味。因为操作系统根本不需要知道你cpu是怎么设计的,操作系统只要知道,我需要运行这些指令,你知道怎么运行就行了,每个不同牌子的cpu,只要你运行出来结果都一样,就行了。

如果isa定义1+1=9,那么这个是定义下来的,所有人都这样错,就没错。如果isa定义了1+1=9,你要纠正他,我的cpu是1+1=2,那么你做出来的cpu虽然数学上正确,但是所有软件,系统,就突然不知道怎么办了。你说这么愚蠢的错误cpu不可能犯是吧?

自行百度一下苹果75-37.5 bug(虽然不一定是cpu或者isa上的错误,也许是软件上的)

然后又有人说ISA是铁定下来的,x86的良好生态环境是因为他的ISA一直有legacy支持。legacy直接翻译就是遗产。x86的legacy支持的意思就是,世界上第一个x86 cpu支持的东西,今年你发明的x86 cpu也支持,以后的也要支持。

的确从某个角度上来说,农企和Intel都非常努力的去支持很多已经没什么人的东西,就是餐馆里菜谱里面有些菜基本上你都不会去试的。你说你都不用了,农企Intel还在那里浪费设计是吧?你不用不代表没人用啊,X国很多军用的设备还是Windows95啊,甚至还是服役中的Windows3.1啊,银行的atm还有用Windows98的。别问我为什么他们要那样,如果他们肯花钱找些软件工程师重新写那些程序,就可以用最新的东西,很多没有注释,现在没有人学的语言,或者算法诡异的程序,很多军事设备还在用啊。

原因大概是:这种语言连学都没人学,我自己都看不懂,我看你怎么破解我的坦克系统!

但是实际上x86又不是完全100%的legacy支持,至少ISA上面没有这样定义,农企和Intel也没有官方明文定义。

x86里面有一个指令叫cpuid,系统/编译器运行它的时候,它会给出一些数据,就是告诉系统/编译器,这个cpu支持什么东西,这个cpu有些什么新东西之类的。所以,理论上可以设计一个cpu,不支持那些非常少用的指令,以降低cpu的设计复杂程度,也更省电省事。(对不起,你想吃的这个菜,我们不卖了,你找另外一家试试)

CPU架构

这个主题,如果你有编程经验,食用效果更佳。

下面这段纯属个人经历,无关主题,可跳过。

如果你有编程经验,你有没有想过,你写的代码是怎么运行的?

我当初就是由于这个原因而对cpu感兴趣然后不知不觉进了这一行。

我是这样的一个人,我看到轮子转,我就想知道轮子是怎么转的,我就想拆开马达,拆开电线,然后学物理,学磁感线,然后知道是什么让轮子转。

后来由于各种原因我有缘接触汇编,cpu架构之后,对比起编程,我对cpu的运行原理非常兴趣,我是兴趣使动的,然后就花时间去研究了。其实UIUC对于半导体,EE那边的研究更多更有趣,但是那边的教授的所有课让我对computer architecture的有浓厚兴趣。

我学习过程是这样的,怎么写c->c怎么编译会汇编语言->汇编语言怎么在cpu里面运行->cpu的组成->transistor的原理->半导体的电子学应用->半导体的工业使用。

在学习半导体的时候,对各种光学半导体也曾经非常感兴趣,没有继续学下去的原因是,设备太贵了,里面的数学太难了(对,说的就是数学,很多方程都没有解答方法,很多是以前的数学家通过直接观察式子,然后试答案试出来的,所以很多differential equation要单纯靠记忆,我对背书非常非常不在行,如果有哪一天有数学家发现了可以怎么算,我学了算法也许还能去学一点)!

后来就去研究cpu怎么才能提高效率。

回归正题,代码是怎样运行的呢?

给纯来看科普的读者的厨房比喻,你要组织一个宴会,然后你说了要弄些什么,你就是软件。然后有个人,专门根据你你要求,弄成一份菜单,他就是编译器。然后把这份菜单给厨房,基本上就是:读菜单拿食材(instruction fetch),切菜(decode),煮菜(execute),上盘出餐(load store and writeback)。然后前面就一读菜单,后面就一直工作。

给有一点编程知识的读者:举个例子,c:

int func(){

...

int a = 1;

a = a +3;

...

}

这段编译后,大概就是

sub sp, 4 ; stack point increase变量都在函数栈里留一个位置,因为是int所以留4

mov ebx, 1 ; ebx用来存1,就是你定义 a了,a=1

; mov [sp], ebx ;有时候如果需要,就把ebx是值存到刚刚预留的栈里

; mov ebx, [sp] ;需要用的时候再读出来,不是必然会发生的,但是这两步可能发生

add ebx, 3 ; ebx = ebx+3, 当然你可以用其他register

...

你不需要读得懂,因为我手打的,分分钟错给你看。

然后这些东西,就会跑到内存,没错,你运行软件的时候,代码是先去到内存,如果想了解他们怎么从硬盘跑到内存,这是另外一个主题,我这里先不讨论,然后缓存又会把这些代码读取,缓存就已经在SoC里面的,cpu在从缓存里面读取,别问为什么这么麻烦读这么多次,都是为了省钱和稍微加快速度。

由于是举例子,我就随便乱说个decode。这个是Intel公布的manual,问我为什么不用本家农企是吧?因为我拿到农企那个不是对外公布的,公布版我还要上网找。

Opcode Instruction Op/ En 64-bit Mode Compat/ Leg Mode D

05 id ADD EAX, imm32 I Valid Valid Add imm32 to EAX.

在cacheline里面看起来大概是这样的 0x05__02___00000003

里面的_代表其他位不详细讲的,大概这个翻译成机械码就是 要做05(ADD加法)在02(ebx实际上我印象中ebx是02,然而eax是00,不是01,这些编码乱七八糟的,Intel决定的,别问我)后面的00000003就是32为imm32,就是 add, ebx 03

cpu读了这条cacheline叫instruction fetch,然后下一步就是把它decode,解释成add, ebx 03,再下一步就是把运行(execute,没错,这么麻烦之后,最后终于要算了),把算得的结果存到ebx上,然后再看看需不需要存回去cacheline或者内存里面(load/store writeback)。这个就是cpu的基本运行原理。

CPU pipeline

有时候会听到cpu流水线,如果按照上面的做法,没一个指令都要通过这几部来预算,那么只有一部分电子器件在用的时候,其他部分都在发呆浪费电。就像是,厨房里面,从取菜到上盘全部都一个人做,肯定要累死那个人,但是你炒菜的时候,是不是想,如果有人已经帮你切好菜,我就一直炒菜好了,这样我们厨房工作效率就高了,cpu也是这样。

ISA

上图是一个经典的cpu运行流水线。

换成厨房理论,就是,一个人专门去食材,一个人专门切菜,一个人专门炒菜,一个人专门上盘,一个人专门给客人下单上菜,是不是现代化很多呢!

然而这样不能满足我们cpu的工程师,我们还有branch prediction,什么叫branch prediction呢?程序黎里面最耗时间的一个就是branch,就像c里面的if,你得到答案之前不知道是继续往下走还是进去if里面的括号。就像下单的小哥,那些犹豫不决而改菜单的人最讨厌了。

于是cpu里面有了这个东西,他是怎么用的呢。下单的小哥也不是笨蛋,顾客a来了100多次了,有80次都改单把猪肉改成鸡肉,那么他下单时候,小哥就先说了,改鸡肉,如果顾客a觉得还是猪肉吧,就再抄,如果顾客a真的改单,那么厨房以及开始做了,而且有80%的几率啊,小哥还是挺聪明的吧。

cpu也大概是这样,根据每个loop的地址(顾客)来训练出一个未卜先知的系统。

上图里面还有OOO(out of order),x86里面,real mode可以用的general register只有8个,eax,ebx,之类的,64位之后增加了8个。流水线工作,如果

mov eax,1;

add eax,1;

sub eax,2;

你们发现问题了没,eax用了再用,但是流水线做add的时候,eax是1,sub在等add retire之前,是不能做的,那么你就不得不等。

那么流水线的效率就体现不出来了。因为这里有一个write after write 的dependency,就是同一个register,你两个pipeline stage要用同一个register,而且x86在传统模式只有8个register,eax,ebx等等,64位模式增加了一些。所以这中情况是非常常见的。为了解决这个问题,就有了out of order execute, in order commit。就是不按顺序来运行指令,但是按顺序完成指令。

用厨房理论解释就是,有这么一道菜(或者说两道菜),鸡要先煮了然后炸,你煮熟鸡之前不能炸,否则炸了再煮,口感就不同了,顾客肯定骂死你,但是后面又有其他菜在等,锅你是有的,所以在煮鸡的时候,你先做后面的菜,然后鸡煮好了,再炸。出餐的时候,你还是先出了这道鸡肉再出后的菜,那样顾客就不会投诉出餐的顺序不按菜单了。

大概就说这么一通吧,也不知道有没有解释清楚,我中文越来越差了,说话都咬舌头,而且我说方言版本的粤语比较多,普通话有时候也说不准确了Orz(求别喷,用得少就说不好了)。

里面夹杂了一些英文,因为我看了中文的翻译,我觉得那样翻译不好,也不准确,但是我又不想自己想个新词来误导读者,只好用英文了。如果有读者对某些题目有特别的兴趣,我再想想什么时候有空再写点什么吧。

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分