常见指令集

ＡＲＭ指令集与Ｘ８６指令集之比较

[摘 要]CPU的指令集从主流的体系结构上分为精简指令集和复杂指令集。嵌入式系统中的主流处理器——ARM处理器，所使用的就是精简指令集。而桌面领域的处理器大部分使用的是复杂指令集。ARM处理器与X86处理器采用不同类型的指令集，造成了处理器在性能、成本、功耗等方面的诸多差异。

[关键词]CPU 精简指令集 复杂指令集 ARM指令集 X86指令集

所谓指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。CPU的指令集从主流的体系结构上分为精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）。嵌入式系统中的主流处理器——ARM处理器，所使用的就是精简指令集。而桌面领域的处理器大部分使用的是复杂指令集，比如Intel的X86系列处理器。我们把ARM处理器所使用的指令集称为ARM指令集，把X86处理器所使用的指令集称为X86指令集。由于ARM处理器与X86处理器采用不同类型的指令集，因而造成了处理器在性能、成本、功耗等方面的诸多差异。现从ARM指令集和X86指令集的特点、操作、功能方面做一比较，以说明两种处理器有诸多差异的原因。

第一，X86指令集随着计算机的功能越来越强大，计算机内部的元件越来越多，指令也相应的变得十分复杂，而在使用过程中，并不是每一条指令都要完全被执行，在技术人员的研究过程中发现，约有80%的程序只用到了20%的指令，而一些过于冗余的指令严重影响到了计算机的工作效率。而ARM指令集种类大大的减少，指令只提供简单的操作，使一个周期就可以执行一条指令。编译器或者程序员通过几条简单指令的组合来实现一个复杂的操作（例如，除法操作）。

第二，由于X86指令集是属于CISC类型的指令集，其每条指令的长度是不固定的，而且有几种不同的格式，这样一来，就造成了X86处理器的解码工作非常复杂。为了提高处理器的工作频率，就不得不延长处理器中的流水线。而过长的流水线在分支如果出现预测出错的情况，又会带来CPU工作停滞时间较长的弊端。而ARM指令集大多数指令采用相同的字节长度，并且在字边界上对齐，字段位置固定，特别是操作码的位置。这就非常适合采用流水线技术，允许流水线在当前指令译码阶段去取其下一条指令。

IL指令集

命令参数类型 类型 描述

int8 1字节有符号整型数

uint8 1字节无符号短整型数

int32 4字节有符号整型数

uint32 4字节无符号整型数

int64 8字节有符号整型数

float32 4字节浮点数

float64 8字节浮点数

MethodDef或MemberRef Token

FieldDef或MemberRef Token

TypeDef, TypeRef, 或 TypeSpec token

StandAloneSig token

User-defined string token

栈的赋值类型

类型 描述

int32 4字节有符号整型数

int64 8字节有符号整型数

Float 80-bit floating-point number

& 托管或者非托管指针

o Object 引用

* 非特指类型

IL指令，参数和栈的操作 编码 指令名称 参数 pop push

00 nop

01 break

02 ldarg.0 *

03 ldarg.1 *

04 ldarg.2 *

05 ldarg.3 *

06 ldloc.0 *

07 ldloc.1 *

08 ldloc.2 *

09 ldloc.3 *

0A stloc.0 *

0B stloc.1 * 0C stloc.2 *

0D stloc.3 *

0E ldarg.s uint8 *

0F ldarga.s uint8 &

10 starg.s uint8 *

11 ldloc.s uint8 *

12 ldloca.s uint8 &

13 stloc.s uint8 *

14 ldnull &=0

15 ldc.i4.ml , ldc.i4.Ml int32=-1

16 ldc.i4.0 int32=0

17 ldc.i4.1 int32=1

18 ldc.i4.2 int32=2

19 ldc.i4.3 int32=3

CPU作为一台电脑中的核心，它的作用是无法替代的。而CPU本身只是在块硅晶片上所集成的超大规模的集成电路，集成的晶体管数量可达到上亿个，是由非常先进复杂的制造工艺制造出来的，拥有相当高的科技含量。然而如此一颗精密的芯片为什么能够控制一个庞大而复杂的电脑系统呢？这就是CPU中所集成的指令集。所谓指令集，就是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合，而每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。而指令集的先进与否，也关系到CPU的性能发挥，它也是CPU性能体现的一个重要标志。

CPU的指令集从主流的体系结构上分为精简指令集和复杂指令集，而在普通的计算机处理器基本上是使用的复杂指令集。在计算机早期的发展过程中，CPU中的指令集是没有划分类型的，而是都将各种程序需要相配合的指令集成到CPU中，但是随着科技的进步，计算机的功能也越来越强大，计算机内部的元件也越来越多，而且越来越复杂，CPU的指令也相应的变得十分复杂，而在使用过程中，并不是每一条指令都要完全被执行，在技术人员的研究过程中发现，约有80％的程序只用到了20％的指令，而一些过于冗余的指令严重影响到了计算机的工作效率，就这一现象，精简指令集的概念就被提了出来。

精简指令集RISC就是（Reduced Instruction Set Computing）的缩写，而复杂指令集CISC则是（Complex Instruction Set Computing）的缩写。它们之间的不同之处就在于RISC指令集的指令数目少，而且每条指令采用相同的字节长度，一般长度为4个字节，并且在字边界上对齐，字段位置固定，特别是操作码的位置。而CISC指令集特点就是指令数目多而且复杂，每条指令的长度也不相等。在操作上，RISC指令集中大多数操作都是寄存器到寄存器之间的操作，只以简单的Load（读取）和Sotre（存储）操作访问内存地址。因此，每条指令中访问的内存地址不会超过1个，指令访问内存的操作不会与算术操作混在一起。在功能上，RISC指令集也要比复杂指令集具有优势，精简指令集可以大大简化处理器的控制器和其他功能单元的设计，不必使用大量专用寄存器，特别是允许以硬件线路来实现指令操作，从而节约的处理器的制造成本。而采用CISC指令集的处理器是使用微程序来实现指令操作，在执行速度上不如RISC指令集。另外，RISC还加强了并行处理能力，非常适合于采用处理器的流水线、超流水线和超标量技术，从而实现指令级并行操作，提高处理器的性能。而且随着VLSI（Very Large Scale Integration超大规模集成电路）技术的发展，整个处理器的核心甚至多个处理器核心都可以集成在一个芯片上。RISC指令集的体系结构可以给设计单芯多核处理器带来很多好处，有利于处理器的性能提高。

MIPS 指令集(31)

助记符 指令格式 示例 示例含义 操作及其解释

Bit # 31..26 25..21 20..16 15..11 10..6 5..0

R-type op rs rt rd shamt func

add 000000 rs rt rd 00000 100000 add $1,$2,$3 $1=$2+$3 rd  rs + rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1

addu 000000 rs rt rd 00000 100001 addu $1,$2,$3 $1=$2+$3 rd  rs + rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1,无符号数

sub 000000 rs rt rd 00000 100010 sub $1,$2,$3 $1=$2-$3 rd  rs - rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1

subu 000000 rs rt rd 00000 100011 subu $1,$2,$3 $1=$2-$3 rd  rs - rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1,无符号数

and 000000 rs rt rd 00000 100100 and $1,$2,$3 $1=$2 & $3 rd rs & rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1

or 000000 rs rt rd 00000 100101 or $1,$2,$3 $1=$2 | $3 rd  rs | rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1

xor 000000 rs rt rd 00000 100110 xor $1,$2,$3 $1=$2 ^ $3 rd rs xor rt ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1(异或）

nor 000000 rs rt rd 00000 100111 nor $1,$2,$3 $1=~($2 | $3) rd  not(rs | rt) ；其中rs＝$2，rt=$3, rd=$1(或非）