計(jì)算機(jī)是用來(lái)做什么的？顧名思義用來(lái)計(jì)算的。不過(guò)在現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，計(jì)算不是計(jì)算機(jī)主要工作內(nèi)容（這個(gè)是后話）。

要計(jì)算我們就需要計(jì)算電路。計(jì)算電路有很多比如加法電路，減法電路，當(dāng)然還有乘法除法等等。這些電路都是建立在與或非門的基礎(chǔ)之上的，這個(gè)在前面的章節(jié)有講解過(guò)。向這些電路輸入運(yùn)算的數(shù)值，我們就能在輸出端很快（需要時(shí)間）得到我們想要的結(jié)果。但在計(jì)算之前計(jì)算機(jī)需要知道我們要做什么運(yùn)算，用哪兩個(gè)數(shù)字做運(yùn)算。

通過(guò)DMX和MUX選取對(duì)應(yīng)的運(yùn)算電路

所以我們需要通過(guò)輸入相應(yīng)的指令來(lái)通知計(jì)算機(jī)。我們都知道計(jì)算機(jī)內(nèi)部處理的都是0和1的電壓信號(hào)，所以我們給計(jì)算機(jī)的指令也得是0和1。假設(shè)我們規(guī)定加法是000，減法是001，乘法是010，除法是011，當(dāng)然還有100、101等等別的運(yùn)算。如此輸入計(jì)算機(jī)內(nèi)，那么計(jì)算機(jī)就能夠區(qū)分我們要做哪些運(yùn)算了。還記得MUX和DMX嗎？就是用這個(gè)部件來(lái)區(qū)分的。只能夠區(qū)分哪些運(yùn)算還不夠，還得知道是哪些數(shù)。那也很簡(jiǎn)單，我們把要輸入的數(shù)字和指令一起給計(jì)算機(jī)，比如11111（加數(shù)一） 00000（加數(shù)二） 000（加法），它的意思就是把11111和00000（二進(jìn)制數(shù)）加起來(lái)。當(dāng)然你也可以把000放到最前面，只要你的計(jì)算機(jī)能理解就行。

那么我們得出答案了，這個(gè)結(jié)果是11111（顯而易見(jiàn)），這個(gè)數(shù)字會(huì)出現(xiàn)在加法器末端。那我想接著把這個(gè)數(shù)字乘二要怎么辦呢？你當(dāng)然可以再輸11111 00001 010，這樣就可以把11111乘2了。但是能不能更快一點(diǎn)呢?比如直接調(diào)用加法器結(jié)果11111？我們這里就需要用到寄存器來(lái)暫時(shí)存住數(shù)據(jù)。寄存器原理我們?cè)谥暗恼鹿?jié)也曾講過(guò)。我們現(xiàn)在設(shè)置32個(gè)寄存器分別命名為00000、00001……11111。

左：通過(guò)MUX選擇要運(yùn)算的寄存器

右：通過(guò)DMX選擇要寫(xiě)回的寄存器

我們重寫(xiě)之前的加法命令，現(xiàn)在可以是11111 00000 000 00000（寄存器編號(hào)）。意思是把11111和00000相加，結(jié)果放到00000寄存器里。那么我們接下來(lái)想把相加后的結(jié)果乘二，指令是不是就可以這樣寫(xiě)：00000 10 010 00001 ？你應(yīng)該懂得意思是把00000寄存器里的數(shù)字和10相乘，把積放到00001寄存器里。但是計(jì)算機(jī)不懂得，而你也只是結(jié)合了上下文才能如此理解。我同樣可以把這個(gè)指令認(rèn)為是00和10相乘，把積放到01寄存器里。再者，我們輸入進(jìn)計(jì)算機(jī)的數(shù)字是連續(xù)的，之間才不會(huì)有這么有愛(ài)的空格，這就出現(xiàn)歧義了。怎么處理這個(gè)問(wèn)題呢？也很簡(jiǎn)單。我們規(guī)定一下，這種直接寫(xiě)入在指令的運(yùn)算的數(shù)字我們稱之為立即數(shù)，這種立即數(shù)的長(zhǎng)度必須是5位，因?yàn)槿绻皇呛图拇嫫餍蛱?hào)一樣是五位的話，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)起來(lái)比較麻煩。我們只約定了長(zhǎng)度還不夠，你還得告訴我這個(gè)五位數(shù)字是立即數(shù)還是寄存器序號(hào)。所以我們要再給指令加長(zhǎng)兩位。如果是前一個(gè)五位數(shù)是立即數(shù)，那么第一個(gè)標(biāo)志位是1。第二個(gè)同理。所以上面的這個(gè)乘二指令可以這樣寫(xiě)了：00000 00010 010 0000101（指示第二個(gè)五位數(shù)是立即數(shù)）。

還沒(méi)結(jié)束，一般我們進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程的時(shí)候，代碼最好是干練的，這樣運(yùn)行效率才最高。所以像第一個(gè)例子中的兩個(gè)立即數(shù)相加的情況是很少出現(xiàn)的，因?yàn)闆](méi)什么必要，程序員完全可以直接把兩個(gè)數(shù)字的和直接寫(xiě)進(jìn)程序中，不會(huì)讓計(jì)算機(jī)每次運(yùn)行程序時(shí)為此再重算一遍。況且這種兩數(shù)相加完全可以通過(guò)兩次使用立即數(shù)的方法得到。所以我們可以把上述乘2指令簡(jiǎn)化成00010 00000 010 00001 1。可以看到，前面兩個(gè)五位數(shù)字調(diào)換了順序，最后面的標(biāo)志位變成了一位，其原因就是現(xiàn)在只會(huì)由第一個(gè)五位數(shù)字來(lái)充當(dāng)立即數(shù)，而第二個(gè)永遠(yuǎn)是寄存器數(shù)字。有人會(huì)問(wèn)，這樣有什么好處嗎？有的，指令少了一位。意味著十條指令少了十位，以前內(nèi)存可是按位賣的……所以在能滿足需求的情況下，要盡可能的短。但是這樣也有弊病。

這樣還不夠，有人認(rèn)為立即數(shù)就五位夠什么用？這樣的立即數(shù)太小了。那我們把立即數(shù)擴(kuò)充到十二位，范式是000000000000 00000 000 00000 0，我們把第一個(gè)五位數(shù)擴(kuò)充到了十二位。那計(jì)算機(jī)每次遇到指令的時(shí)候就先看一下最后的標(biāo)準(zhǔn)位，判斷這條指令是立即數(shù)指令還是寄存器指令。如果是立即數(shù)指令，那就用得到十二位全部的數(shù)據(jù)，如果是寄存器指令，那就直接取最后五位數(shù)據(jù)，并對(duì)前面七位數(shù)字不作理會(huì)。有人有疑惑：不對(duì)啊，你前面剛說(shuō)內(nèi)存按位來(lái)賣，指令大小應(yīng)該越少越好。那立即數(shù)指令長(zhǎng)就長(zhǎng)點(diǎn)，寄存器指令保持原長(zhǎng)不好嗎，這樣不是很省內(nèi)存空間嗎？有道理，所以這種變長(zhǎng)（長(zhǎng)度變化）指令是之前的x86的做法。可是時(shí)代變了，今昔不同往日，內(nèi)存早已不是按位來(lái)賣的，這點(diǎn)空間浪費(fèi)問(wèn)題不大，定長(zhǎng)指令是現(xiàn)在的主流。（注意，定長(zhǎng)指令并不是極其嚴(yán)格的長(zhǎng)度一致。64位的計(jì)算機(jī)可以執(zhí)行32位指令甚至16位指令，為的是軟件的兼容性）更重要的是，這讓硬件解碼的工作來(lái)得輕松的多。并且想象一下，計(jì)算機(jī)指令是頭尾相連在一起的，如果指令長(zhǎng)度不一樣，你甚至不知道第一個(gè)指令有多長(zhǎng)，還得瘋狂斷句才能讀懂（文言文即視感）。

今天應(yīng)該算是把指令編寫(xiě)思路大致給講清楚了，我們下次具體看看risc-v指令集，即人家是怎么設(shè)計(jì)CPU指令的，和我今天講的有什么不同，以及如何在硬件中實(shí)現(xiàn)解碼指令。



審核編輯：劉清