【计算机组成 课程笔记】2.1 设计自己的计算机

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什么是指令系统体系结构？这个问题其实非常简单，但要想解释清楚也没有那么容易。我们还是从一个小故事开始吧。

有一天有两个小伙伴碰了面，发现对方都很愁苦，沟通后发现双方都碰到了一些运算上的问题，于是两人一拍即合，准备一起解决这个问题。怎么解决呢？不如一起设计一个计算机吧。那怎么分工呢？一个小伙伴说：我是软件程序猿，我来编写如何运算的软件指令。另一个小伙伴说：那正好，我是硬件攻城狮，我来设计计算机的硬件，主要是CPU。

OK, 那我们就分头干活吧！

真的就可以这么开始了吗？怎么保证软件程序猿写的软件就能在硬件攻城狮设计的硬件上运行起来呢？所以他们还得商量商量，把共同的接口定义好，然后才能分头去设计软件和硬件。

那他们要商量的共同的接口，就是指令系统体系结构。

他们面临的计算任务并不复杂，所以只需要一个简单的指令系统就可以了。看上去需要一个加法，所以先设计一个加法指令，另外存储器和寄存器之间的数据传送需要两条指令：LOAD和STORE。另外由于CPU是按照PC寄存器++来顺序执行指令的，有时候我们可能需要跳转到其他位置执行，这样的话就还需要一条跳转指令JMP。

这样我们就设计出了一个简单的计算机指令系统，能够满足当前所需要进行的运算。

但是这个用英文单词和字母描述的指令并不是计算机能识别的二进制代码，因此我们还要做进一步的规定。

我们约定每条指令都是等长的，都是2个字节。其中第一个字节的高4位是操作码，我们目前支持4种操作，所以只用到了其中的2位，实际上可以扩展到16个操作。第一个字节的低4位是寄存器号，我们约定目前只提供4个寄存器（R0~R3）,实际上可以扩展到16个寄存器。第二个字节是存储单元地址，一共8位，所以可以索引256个存储器。

在约定好指令格式以后，我们再来看一个可以执行的任务的例子。

基于这样的任务，软件程序猿就可以编写出下面的机器语言程序。当然直接编写机器语言程序是非常困难的，随着计算机技术的发展，我们现在可以通过编写高级语言程序，再通过编译器转换成汇编语言程序，最后再转换成机器语言程序。

现在我们已经写好了一个程序，根据冯·诺依曼计算机存储程序的概念，我们把这个程序放到存储器当中。这里仅展示存储器的一个片段，即存储器的地址为5~18的存储单元中的内容。

与此同时，硬件攻城狮也完成了CPU的设计，并将CPU和存储器进行连接，构建出了完整的计算机系统。（为了便于理解，存储器中的内容还是以汇编代码的形式呈现。）

此时，如果CPU中的PC寄存器已经装入了0000 1000的地址，那么接下来的指令执行过程，我们已经很熟悉了。

现在我们已经对什么是指令系统体系结构有了初步了解，也知道了如何开始着手设计一个属于自己的计算机。下一节我们将分析一些真实的体系结构。