5 指令集架构汇总

1 定义

指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA）也称指令集或者指令集体系，是计算机体系结构中与程序设计有关的部分，包含基本数据类型，指令集，寄存器，寻址模式，存储体系，中断，异常处理以及外部IO。

1.1 指令集架构与微架构

指令集架构与微架构（microarchitecture）不同，微架构指的是一套用于执行指令集的微处理器设计方法，使得指令集架构可以在微处理器上被执行。

不同微架构的处理器可以共享一种指令集。举例：例如Intel的Pentium处理器与AMD的AMD Athlon处理器，都是属于x86的指令集架构，但是两者在处理器的内部设计上存在本质区别。

1.2 指令集架构的分类

复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）：每个指令可执行若干低端操作，例如存储器读取、存储、计算操作等，指令数目多且复杂，每条指令字长不相等。这些特性使得代码编写较为简单，但是复杂的指令需要若干指令周期才可以实现。

精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）：对指令数目与寻址方式都做了精简，只保留经常使用的指令，因此实现更加容易，指令并行程度较好，编译器效率较高。但是对于一些特殊操作，需要通过处理器额外的执行时间来弥补。其特征包括统一指令编码、泛用的寄存器，单纯的寻址模式等，每条指令的执行时间较短。

实际上在后来的发展中，RISC与CISC在竞争的过程中相互学习，现在的RISC指令集也达到数百条，运行周期也不再固定。

2 x86相关的架构及其发展历史

x86泛指一系列基于Intel 8086且向后兼容的指令集架构。1978年Intel推出了8086处理器（16位微处理器），1985年Intel推出了80386（32位处理器）。由于Intel早期处理器名称是以数字来表示80x86，因此这些架构称之为x86。

x86

通常来说是Intel开发的32位指令集，这种指令集兼容16位指令，一直沿用至今，属于CISC指令集。早期Intel生产的CPU与AMD生产的CPU均支持这种指令集，相应地，这些CPU被称为x86架构（The x86 architecture）Intel官方称这种指令集架构为IA-32（Intel Architecture, 32-bit）。有时候也会被称为i386。

当CPU迈向64位时，对于指令集，有2种发展途径：

向下兼容x86

重新设计新的指令集，不兼容x86

这分别引出了2种指令集架构：AMD64与IA-64。

AMD64

AMD在Intel之前，选择了前者——设计了一向下兼容x86的64位指令集，称之为AMD64，并生产了相应指令集的CPU，市场反映良好。

IA-64

Intel选择了而后者——设计了一种全新的64位指令集，不兼容x86，称之为IA-64。但是反响不好，因为是全新设计的指令集，不支持Windows，也没有相应的编译器。

安腾（Itanium）处理器是属于Intel安腾架构的64位处理器，传闻所谓的安腾架构就是IA-64，不过没有经过Intel官方证实。

x86-64（或者写成x86_64）

Intel在IA-64反响不好的情况下，决定开始支持AMD64的指令集，称之为x86-64（或者x86_64），表示这是x86指令集的64位扩展。实际上AMD64与x86-64基本是同一个ISA，现在我们使用购买的Intel或者AMD生产的CPU，都属于x86-64的ISA。

有时候，x86-64也会被简称为x64，也有的公司会使用amd64，实际上所指都是同一ISA，同时指代AMD的AMD64与Intel的x86-64。

x86与x86_64的区别

x86与x86_64指令集架构最主要的区别其位数：

x86是32位的，从寄存器角度来看，设计了8个32位通用寄存器（EAX，EBX，ECX，EDX，EBP，ESP，ESI，EDI）

x86-64是64位的将原先的8个通用寄存器扩展为64位的（RAX，RBX，RCX，RDX，RBP，RSP，RSI，RDI），并且还增加了若干通用寄存器，对于MMX的寄存器位数与数量也进行了扩展

小结

x86 = IA-32 = i386；AMD64 = x86-64(x86_64) = x64 ≠ IA-64

对于x86-64体系结构的CPU，都做了兼容32位的特殊处理，在64位的CPU上运行32位的软件（包括操作系统）都是没有问题的。

这里有一个例子，例如，我希望安装Anaconda，从Index of /anaconda/archive/ | 清华大学开源软件镜像站 | Tsinghua Open Source Mirror网站上寻找安装包进行安装，可以发现最新版本Windows操作系统下有2个exe格式的安装包，分别为

一个结尾是x86，另一个结尾是x86_64。

相同点：对于x86_64架构的Intel处理器或者AMD处理器，两个安装包都可以成功安装并运行，因为x86_64是兼容32位的，可以执行x86指令集的32位指令，也就可以运行32位的软件。

不同点：

x86_64安装包较大，因为是使用64位的x86_64指令集的二进制代码，容量较大；运行在x86_64架构的处理器上速度较快；

x86安装包较小，因为是使用32位的x86指令集的二进制代码，容量较小；运行在x86_64架构的处理器上速度较慢；

再例如，有时候安装包名称的后缀是amd64，但是我使用的是x86_64架构的Intel处理器，这种情况下也是可以运行的，因为amd64与x86_64本质是同一个指令集。

3 ARM相关指令集体系结构

ARM既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称。

ARM公司的特点

ARM公司通过转让高性能、低成本的、低功耗的RISC微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。ARM从不制造和销售具体的处理器芯片，而是把处理器的设计授权给相关的商务合作伙伴，让他们去根据自己的强项设计具体的芯片，称之为“知识产权授权”。

ARM架构的特点

ARM指令集架构属于RISC架构，在其官网文档中，描述了其特点：

大量、统一的寄存器；

Load/store体系结构，通过寄存器进行操作指令，不能直接作用内存；

简单的寻址模式，所有load/store方式都通过寄存器内容和指令字段；

ARM架构的历史演变

ARM架构，曾称进阶精简指令集机器（Advanced RISC Machine）。其架构的版本以数字命名，一直到现在的ARMv8（目前已经有ARMv9），其历史演变如下图所示。

每次版本更新都会添加新的特性，从ARMv7开始，其架构开始出现分支，ARM称之为不同的系列（Architecture profiles），分别命名为

用于服务器的ARM架构芯片，是A系列的。目前较为流行的是ARMv8-A，ARM架构服务器的处理器，都是属于A-profile的ARM架构。

例如华为泰山服务器使用的是海思的Kunpeng 920处理器，是基于ARMv8-A设计的服务器处理器芯片。研究其架构我们可以参考ARM提供的架构手册：Arm® Architecture Reference Manual - Armv8, for A-profile architecture。

ARM的指令集架构与执行模式

在ARMv8之前，ARM处理器一直支持两种形式上相对独立的指令集：

ARM：32位的ARM指令集，对应处理器ARM状态

Thumb：16位的指令集，对应处理器Thumb状态

在Thumb指令集的基础上，Thumb-2指令集，是Thumb的超集，支持16位和32位指令。成为了后面的T32指令集。在ARMv8之后，为了区分之前的指令集，将指令集作出以下区分。

A64：A64指令集是在ARMv8-A中引入的，以支持64位架构。A64指令集有固定的32位指令长度。主要

A32：A32指令集有固定的32位指令长度，并在4字节边界上对齐。A32指令集实际上是在ARMv6和ARMv7架构中我们常说的ARM指令集，ARMv8及之后改名A32（为了与A64进行区分）。随着Thumb-2技术的引入，它的大部分功能都被纳入了T32中。A32指令主要被用于A-profile和R-profile，相当于对T32指令集的扩展。

T32：T32指令集最初是作为16位指令的补充集引入的，用于改进的用户代码的代码密度。随着时间的推移，T32演变成16位和32位混合长度的指令集。因此，编译器可以在单个指令集中平衡性能和代码大小。T32指令集就是在在ARMv6和ARMv7架构中的Thumb指令集，ARMv8及之后改名为T32。T32支持所有架构的Profile，并且是M-Profile架构所支持的唯一指令集。

ARMv8架构具有两种不同的执行模式（execution modes）：

AArch64：64位执行状态，地址保存在64位寄存器中，基本指令集中的指令使用64位寄存器进行处理。 AArch64状态支持A64指令集；

AArch32：32位执行状态，地址保存在32位寄存器中，基本指令集中的指令使用32位寄存器进行处理。 与ARMv7-A兼容，AArch32状态支持T32和A32指令集。