[讨论]如何设计指令集

guanfree

    前面 liuiang 已经发过关于设计指令集的帖子，这里，为了专门讨论指令集的设计，所以另开一铁，希望大家踊跃发言
    指令集的设计是每一个MCU或DSP设计者不可回避的宿命，如果说算法是灵魂，那指令集就是灵魂的宿主。更极端地说，指令集是算法与CPU地接口，CPU出生的目的就是为了指令集。电路的成功与否影响CPU的出生，有方法可依，而指令集的成功与否影响CPU的成长，充满不确定性。
    回到主题上来，首先说指令集的规模。指令集的规模是首要特征，就是大家所说的CISC与RISC。指令集的规模对指令译码器有着直接的影响，而指令译码器是整个CPU中最难设计的电路。以51位例，它有112条指令（真正的51指令集，包括中断指令，指令码为A5），8位的位宽没有任何的浪费，它的译码器设计很有难度，相信只要设计过51译码器，你不会再惧怕任何CPU的译码器。
    把指令集归归类，无外乎5种：算逻操作指令、传输指令、跳转指令、中断指令、位操作指令。其中前4种是每个CPU都应该具有的。这里特别注意中断指令，它一般都只有一条指令，但它对CPU功能和电路设计的影响巨大，51中也有中断指令，但它是不公开使用，是CPU自己专用的，对于那些需要操作系统的CPU，中断指令就开放了，因为它是操作系统的最有用指令。位操作指令是MCU所必备的，51的成功就是很好的例子。算逻指令这个人人都知道，它取决与几个比较通用的逻辑：加法器、乘法器、桶形移位器，要使用什么样的指令，就得有什么样的逻辑，这个比较容易确定。传输指令和跳转指令是指令集设计的难点和关键所在。对于传输指令，CISC与RISC有本质的区别，RISC用很少的指令来专门完成数据的传输，而CISC中很多指令本身具有数据传输的操作，光就mov指令来说，CISC也有多种形式。对于跳转指令，它是真正体现CPU优势的因素之一，设计起来很难。传输指令和跳转指令设计的主要影响因素是寻址方式。
    指令集还要包括的部分恐怕就是专用CPU中的专用指令了。就以我们目前的实力，做通用CPU的机会不是很多，但做专用CPU就不一样了。专用CPU中的专用指令的设计取决于对所使用的算法的领悟程度，没有现成的案例可以参考。我个人认为，指令集设计分一下步骤执行：1，根据设计目标对位操作指令进行取舍；2，慎重考虑，决定中断指令的去留，一般来说，中断指令都是用的上的，但对于某些专用的处理器，如果它只干一件活，就可以考虑去掉中断指令，去掉中断指令就意味着去掉中断系统，简化译码器的设计难度，甚至堆栈都不要了，好处太诱人了；3，决定算逻指令，这取决与可能出现的算法以及计算的速度等指标的要求，条件不多，选择也容易；4，传输指令，这要看你使用RISC还是CISC，参照别人的做法，方案可以确定，但能不能做好或创新就看你的天分了；5，跳转指令得费点脑细胞，幸好有别人的可以参考，同样，要创新就得天才，这两部分中寻址方式是重头戏，脑细胞当然是不能少的；6，专用指令，专用指令一般都是针对与专有逻辑，可以说指令与逻辑相辅相成，想把它做到最优，需得明白，考验你造化的时候到了。
    以上纯属个人观点，希望能抛砖引玉，也欢迎大家拍砖

iamchine

顶！
不过，对于51指令集，真的是112条？中断指令码A5？但通常软件汇编程序是不会有的啊。这个应该同具体51CPU实现有关吧？！

guanfree

我是这样认为的。当初我们讨论51的中断系统工作机理的时候，发现中断其实就是执行了一条指令，而51的指令集中只有一个指令码没有用到，就是A5。从51的设计者的角度出发，8位指令，共256个状态，开放的有255个状态，就以CISC的风格，怎么能浪费掉这么宝贵的东西呢？把A5作为中断指令，只要中断到来时把IR（指令寄存器）置为A5就可以了，剩下的和一般指令的处理没有任何差别，这样就可以实现中断，你不觉得这样做很符合51的风格吗？（51中断最快的情况相当于双周期指令的执行时间）

atuhappy

长见识
用了几年51，从来没有注意过

freebirdli

这真还很迷惑，一点都不清楚。

WaterBalon

写得很好，有没有专门讲这方面得书，请指点一下

scutwdz

长见识！！看来系统设计不是那么简单的哦！！

scutwdz

想不到指令设计还要考虑这么多！！
我曾经以为51的指令只不过是依据一些简单规则的数字游戏而已

HUST_EST

嗯，我也对这方面感兴趣。不知道能否说的更详细些呵呵

crq40995

学习学习~