10、CPU指令集架构
参考资料：
目前市面上存在两种指令集架构类型:
- Reduced Instruction Set Computing (RISC) 精简指令集，比如ARM,MIPS等
- Complex Instruction Set Computing (CISC) 复杂指令集，比如Intel的X86等
简单说，一精简指令集就是只规定非常简单的2进制处理器指令，复杂的指令也只能是最基本的指令的叠加组合。二复杂指令集代表着本身就有一个很庞大的指令集库，一些复杂的指令已经在指令集库里，只需要调用即可。
当然，目前最火的当属基于RISC开发的ARM架构，在移动通信时代，凭借着低功耗打遍天下无敌手。手机，平板，自动驾驶等等等等，一招鲜吃遍天。而且RISC的构架也是ARM低功耗原因之一。RISC的CPU包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC的CPU包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。
X86，依靠强有力的Intel，强势控制产业链，获取价值链上最丰厚的那部分利润.
ARM， 靠IP授权的商业模式，且技术上走与Intel差异化路线，加上一些些运气（踏对了手机这条路，谢谢TI-Nokia，Apple，Samsung for big.Little）走小而美的路线，但是凭借已经形成巨大的生态系统，占据优势.
MIPS，很学术很精美很帅，但是对指令集控制松散，导致生态系统分裂，没有形成合力，最终被市场抛弃。
下面就看一下最学术最精美的MIPS的指令集是个什么样子吧。首先了解一下CPU的工作原理，如下图:
CPU里自带几个寄存器（32位或64位），三条总线连接内存（RAM）。每一次执行指令，都包含了控制信息，地址信息，以及数据信息。而所有指令的集合就是CPU的指令集。如上图所示，左下角就是指令集，他有LOAD和STORE指令，也有数学运算指令。可以通过他们，来控制CPU和内存进行交流，比如: 从内存读取数据，CPU内部数学运算，然后存贮数据到内存。
当我们阅读 MIPS 指令时，需要理解每条指令的格式。 MIPS 指令集有三种指令格式：R 型指令，I 型指令和 J 型指令。
R 型指令
是 MIPS 指令集中用于寄存器-寄存器操作的指令格式。R 型指令由操作码（opcode）、源寄存器 1（rs）、源寄存器 2（rt）、目标寄存器（rd）、位移量（shamt）和函数码（funct）构成。
以下是 R 型指令的详细格式：
opcode rs rt rd shamt funct
其中，各个字段的含义如下：
- opcode：6 位操作码，指定执行的操作类型。
- rs：5 位源寄存器 1，操作的第一个源操作数。
- rt：5 位源寄存器 2，操作的第二个源操作数。
- rd：5 位目标寄存器，操作结果存储的目标寄存器。
- shamt：5 位位移量，用于移位操作的位移量。
- funct：6 位函数码，指定执行的具体操作。
R 型指令中的操作码 opcode 通常用于区分不同的指令类型。函数码 funct 通常用于区分同一类型指令的不同操作，这些操作可能是加、减、逻辑运算等等。
add $rd, $rs, $rt：将$rs和$rt的值相加，并将结果存储在$rd中。sub $rd, $rs, $rt：将$rs和$rt的值相减，并将结果存储在$rd中。and $rd, $rs, $rt：将$rs和$rt的值进行按位与运算，并将结果存储在$rd中。or $rd, $rs, $rt：将$rs和$rt的值进行按位或运算，并将结果存储在$rd中。slt $rd, $rs, $rt：如果$rs的值小于$rt的值，则将$rd的值设置为 1，否则设置为 0。
R 型指令在 MIPS 指令集中占据了很大的比例，它们通常用于处理寄存器之间的操作，比如算术运算、逻辑运算、移位操作等等。
I 型指令
以下是 I 型指令的详细格式：
opcode rs rt immediate
其中，各个字段的含义如下：
- opcode：6 位操作码，指定执行的操作类型。
- rs：5 位源寄存器，操作的源操作数。
- rt：5 位目标寄存器，操作结果存储的目标寄存器。
- immediate：16 位立即数，用于操作的第二个操作数或者是跳转目标地址。
I 型指令中的操作码 opcode 通常用于区分不同的指令类型。源寄存器 rs 和目标寄存器 rt 通常用于指定操作数或结果的寄存器。立即数 immediate 则用于指定一些数值或地址。
下面是一些常见的 I 型指令及其对应的操作：
addi $rt, $rs, immediate：将$rs和immediate的值相加，并将结果存储在$rt中。lw $rt, immediate($rs)：从以$rs为基址，偏移量为immediate的内存地址中取出 32 位数据，并存储在$rt中。sw $rt, immediate($rs)：将$rt的值存储到以$rs为基址，偏移量为immediate的内存地址中。beq $rs, $rt, label：如果$rs和$rt的值相等，则跳转到标签为label的地址处。bne $rs, $rt, label：如果$rs和$rt的值不相等，则跳转到标签为label的地址处。
I 型指令在 MIPS 指令集中广泛应用，通常用于处理立即数和内存数据的操作。在 MIPS 汇编语言中，立即数可以是十进制数、十六进制数或者是标签地址的偏移量。
J 型指令
是 MIPS 指令集中用于无条件跳转的指令格式。J 型指令由操作码（opcode）和跳转地址（address）构成。
以下是 J 型指令的详细格式：
opcode address
其中，各个字段的含义如下：
- opcode：6 位操作码，指定执行的操作类型。在 J 型指令中，opcode 为 2。
- address：26 位跳转地址，指定要跳转到的目标地址。
在 J 型指令中，跳转地址是指直接跳转到一个指定的地址。因此，在执行 J 型指令时，处理器会将指令寄存器 PC（程序计数器）的高 4 位与跳转地址的高 4 位相连，得到跳转后的地址，然后将其存储到 PC 中。由于跳转地址是 26 位，因此，在执行 J 型指令时，程序计数器的低 4 位会被丢弃，而需要从内存中获取跳转地址。
下面是 J 型指令的一些常见指令及其操作：
j target：无条件跳转到目标地址，目标地址由target指定。jal target：无条件跳转到目标地址，并将跳转指令的下一条指令地址存储到寄存器$ra中，以备后续返回地址的使用。
J 型指令在 MIPS 指令集中广泛应用于程序跳转，它可以用于实现条件跳转、函数调用等控制流程的操作。由于 J 型指令可以直接跳转到指定的地址，因此可以用于实现高效的跳转操作，同时也可以减少代码的执行时间和空间。
以上就是MIPS指令集的小笔记，基本上能有个初步的了解。当然，用01010101这种二进制代码写程序，可能会死人，毕竟难记还容易出错。所以大家用汇编程序来标记这些晦涩的2进制机器指令集代码，比如下面这个例子: 把数字5加上2号寄存器里面的数字，然后把结果存储到6号寄存器里。
当然人类又发明了更高级的计算机语言，比如C,C++甚至java, python, matlab等等等等, 其实只是需要用编译器把高级语言最终编译成这些010101组成的指令集指令而已，当然在编译过程中，有很多可以优化的地方。这也是为什么高级语言执行速度比较慢，而越低级的语言执行效率越快，因为越低级的语言越接近真实的机器代码。比如下面这个例子: 用c写的代码，被编译成了机器指令:
指令集是提供给处理器的一组指令，告诉处理器该怎么做以及怎么执行。在这里我不讨论特定的处理器，讨论通用处理器。
我们将指令分为数据传输指令、数据操作指令、程序控制指令，
数据传输指令，用来实现数据的传输，比如寄存器与寄存器，寄存器与内存。
数据操作指令，用来对数据进行操作，变化数据，比如有加法、位移、逻辑操作等。
程序控制指令，计算机如何执行程序，比如if，for，while等
