【转】指令的编码与译码原理

  指令集是处理器体系架构的重要组成部分。指令集有两个发展方面，包括以X86为代表的CISC(复杂指令集)和以ARM、MIPS为代表的RISC（精简指令集）。CISC的目标是尽可能将常用的功能用最少甚至一条指令来实现，因此该指令对应的执行电路往往是复杂的，其侧重的是硬件功能的实现；RISC则相反，其是将复杂的执行电路进行分解，即用尽可能简单的多指令去描述该功能，以软件来降低硬件的复杂度，因此RISC对编译器的要求比较高。CISC的指令长度是可变的，执行周期也不固定，而RISC则是定长的、往往都是单周期执行。寄存器多也是RISC的特点。

        本文的重点不在于详细比较RISC和CISC，而是介绍CPU指令的编码和译码。我们都知道CPU的流水线执行过程有取指、译码、执行、访存和回写（参看博文：CPU指令的流水线执行），但很多人对于这些步骤的理解都仅仅在概念层面上的，有必要对其进行详细阐述，理解CPU指令的设计和实现。

        我们都知道C语言是对现实问题的解决方法和过程的高度抽象，其语法主要包括数值、逻辑运算和分支控制转移。数值运算就是加减乘除（比较也是减法），逻辑运算就是与、或、非、异或等，分支控制转移包括if/else、for、while等语法。汇编语言是在机器层面上对C语言的理解和建构，其指令同样也包括数值、逻辑运算、分支控制转移，但是一行C语言可能需要多条汇编指令才能实现。同时由于指令在内存上，而CPU访问寄存器要比访问内存要快得多，所以CPU的运算一般都在寄存器中进行，因此汇编语言一般都需要增加内存和寄存器直接的数据加载/存储指令。CPU只认识二进制输入，所以可以把汇编语言当次硬件层面上的伪代码，其便于开发人员熟记，同样是低级语言。

指令的编码就是实现汇编语言到二进制机器码的过程，其是汇编器实现的（编译器是将C语言转为汇编语言）。         现在假设某种简单的CPU只支持4种功能：包括

1）加法 ADD Rd，Rs，Rn , 结果是Rd=Rs+Rn

2）减法 SUB Rd，Rs，Rn , 结果是Rd=Rs-Rn

3）数据传送 MOV Rd，Rs，结果是Rd=Rs

        4）数据加载 LDR Rd，[Rs] ，结构是将内存中以Rs寄存器的值为地址取值赋给Rd

         如何进行编码呢？

1）首先将指令分为操作码+操作数 两个部分，操作码即代表指令功能，如ADD、SUB等，其在CPU中就代表某种具体的电路，如ADD就代表加法电路，SUB代表减法电路；操作数即是代表功能的输入和输出，对应电路的输入和输出。

2）现在共有4种功能，那至少需要2个比特来进行编码，如00代表ADD，01代表SUB，10代表MOV，11代表LDR；

        3）操作数的编码，假设寄存器共有8个，Rd，Rs，Rn都是其中的一个，即d，s，n的范围是0到7，那至少需要3个比特来编码，如000代表R0，001代表R1，以此类推，111代表R7.

        那要实现以上四种功能指令，总共需要2+3+3+3=11个比特进行编码。如SUB R6,R1,R2，即R1减去R2的值赋给R7，那其编码就是01 110 001 010.

        理解完指令的编码，那指令的译码应该是比较好理解的。取指就是根据当前程序计数寄存器PC（假设硬件电路规定R7就是寄存器PC）的值从内存中取出机器码指令，该机器码的值是01 110 001 010。接下来的过程就是译码，即根据最先的两个比特01送入译码器，选择为减法电路；110即译码选择为R6，001译码选择R1，010译码选择R2. 再接着的就是指令的执行了，执行就是减法单元电路对两个输入（R1,R2）进行运算，将结果赋给R6.

取指和译码都是CPU的控制单元(CU)完成的，执行是ALU（逻辑运算单元）完成，可以将ALU看出是很多种电路的集合。CPU指令的设计和指令编码息息相关。

        ARM和MIPS CPU都是32位字长，因此指令编码是32比特，能够支持和表达更多的功能（操作码）和寄存器（操作数）。如ARM体系是r0到r15，因此需要4个比特来表示，当然ARM的寄存器还有组的概念，即CPU在不同的工作模式时看到的寄存器可能是不同的，如r13，r14等。这些译码时不仅需要指令操作数作为输入，还需要当前状态寄存器的值作为输入。

        16位指令集是因为什么产生的呢？是因为同样的一段C语言代码，用16位指令进行编码比32位编码能够节省30%的代码量，代码量越少，那占用的内存就越少，自然成本越低。在MCU领域，一般都是成本敏感的，所以16为指令在MCU领域有非常广泛的使用。

         ARM和MIPS的指令设计是以32位为基础进行设计，其执行也是32作为输入的，那如何在32位指令集中实现16位呢？我们都知道二八原理，即20%的指令的使用率会达到80%，所以我们对这20%的指令（其是32位指令的一个子集）进行编码，自然可以用较少的比特数来进行编码，而在16位指令使用时，我们可以强制要求其只使用一部分寄存器，那自然可以以更少的比特数来进行寄存器的编码。可以将16位指令集看成是32位指令集的一个子集，CPU在译码阶段先将16为指令转化为对应的32位指令，再进行译码、执行。

          ARM的16位指令集为thumb指令集，MIPS的16为指令集为MIPS16指令集。至于32位指令集和16位指令集之间的无缝切换，请参看另一篇博文：32位和16位指令集模式自动切换机制。