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Classification of ISA

最近在看RISC-V v1手册的中文译版，在第一章里面讲到ISA可以分为模块化的和增量化的，还举了很生动的例子来比喻两者

后来读胡伟武老师的《计算机体系结构》，里面从指令对于数据的使用方法的角度对ISA进行了分类，感觉很有意思

0. 从指令对数据的使用方法看ISA

  • 堆栈型(零地址指令)
    • 操作数在栈顶，运算指令不用指定操作数
  • 累加器型(单地址指令)
    • 累加器是隐含操作数，指令中指定另一个操作数，结果写回累加器
  • 寄存器型(每个操作数都由指令显式指定)
    • 寄存器-存储器型
      • 操作数是寄存器或内存地址
    • 寄存器-寄存器型
      • 操作数都是寄存器

只看文字肯定不好理解，不如直接看一个指令例子

1. C = A + B

堆栈型 累加器型 寄存器-存储器型 寄存器-寄存器型
PUSH A
PUSH B
ADD
POP C		 LOAD A
ADD B
STORE C		 LOAD R1, A
ADD R1, B
STORE C, R1		 LOAD R1, A
LOAD R2, B
ADD R3, R1, R2
STORE C, R3

1.0 堆栈型

~~PUSH和POP都是对堆栈的操作，本应不该有后面的参数；~~PUSH A指的是把A从内存中取出来，然后压入堆栈；如果没有后面的参数A，那么压谁呢？

解释：PUSH A把A从内存中取出来，压入堆栈；PUSH B把B从内存中取出来，压入堆栈；ADD把栈顶的两个数弹出，作为加法器的输入，并把输出压回栈；POP C把栈顶的数弹出，存入内存单元C中

1.1 累加器型

指令的隐含操作数是累加器

解释：LOAD A把内存单元A存入累加器；ADD B把累加器的值与内存单元B的值相加，并把结果写回累加器；STORE C把累加器的值存入内存单元C

1.2 寄存器-存储器型

一个操作数是寄存器，一个操作数是内存地址

解释：LOAD R1, A把内存单元A的值存入寄存器R1；ADD R1, B把内存单元B的值和寄存器R1的值相加，并把结果写回R1；STORE C, R1把寄存器R1的值存入内存单元C

1.3 寄存器-寄存器型

两个操作数都是寄存器

解释：LOAD R1, A把内存单元A的值存入寄存器R1；LOAD R2, B把内存单元B的值存入寄存器R2；ADD R3, R1, R2把寄存器R1和寄存器R2做加法，把结果写入寄存器R3；STORE C, R3把寄存器R3写到内存单元C

2. 哪种结构好？

可以从代码量和与内存交换的数据量两个方面来看

// 代码片段
A = B - C
D = A - C
B = D + A

注：假设，操作码占用8位，内存地址和操作数都是16位，寄存器型ISA有16个通用寄存器

堆栈型 累加器型 寄存器-存储器型 寄存器-寄存器型
汇编代码 PUSH B
PUSH C
SUB
POP A
PUSH A
PUSH C
SUB
POP D
PUSH D
PUSH A
ADD 
POP B		 LOAD C
NEG
ADD B
STORE A
LOAD C
NEG
ADD A
STORE D
ADD A
STORE B		 LOAD R1, B
SUB R1, C
STORE R1, A
SUB R1, C
STORE R1, D
ADD R1, A
STORE R1, B		 LOAD R1, B
LOAD R2, C
SUB R3, R1, R2
STORE R3, A
SUB R4, R3, R2
STORE R4, D
ADD R5, R4, R3
STORE R5, B
代码量 12·1+9·2=30 10·1+8·2=26 7·1+7·2+7·1=28 8·1+5·2+5·1+3·2=29
与内存交换的数据量 30+9·2=48 26+8·2=42 28+7·2=42 29+5·2=39

结论：在代码量方面，累加器型ISA更优；在与内存交换的数据量方面，寄存器-寄存器型ISA更优

补充：因为指令必须是byte的整数倍。所以LOAD R1, B中的R1要占8bit；ADD R5, R4, R3中的R5和R4占8bit，R3占8bit