开源鸿蒙内核源码分析系列 | 指令集 | CICS PK RICS

指令集

在计算机中，指示计算机硬件执行某种运算、处理功能的命令称为指令，它是计算机运行的最小的功能单位，而硬件的作用是完成每条指令规定的功能。

每一种处理器都有自己可以识别的一整套指令，称为指令集，它是硬件和软件之间沟通的桥梁。是处理器提供给软件控制它的语言，处理器执行指令时，根据不同的指令采取不同的动作，完成不同的功能，既可以改变自己内部的工作状态，也能控制其它外围电路的工作状态。按CPU的设计理念，将软硬件沟通方式分成复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC) ，不同的时期流行不同的方式，取决于当时的沟通成本/性价比。

早期的CPU全部是CISC架构，受限于软件和编译器技术不发达，设计方向是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务，需更多的从硬件角度去考虑CPU的设计，能用硬件完成的就尽量不用软件去做。其结果导致硬件较复杂，功耗大，成本高。

后期因软件和编译器技术快速崛起，相比于硬件呈指数级的增长，原来的指令集架构就不再适用新时代，RISC的优势就凸显出来，设计方向是降低硬件的大小，减少处理器的功耗，从而硬件成本低廉，省电价格又便宜自然就占据了市场的主导权，尤其在嵌入式领域这种优势就更加的明显。

x86

x86泛指一系列基于Intel 8086且向后兼容的中央处理器指令集架构。最早的8086处理器于1978年由Intel推出，为16位微处理器。由于以86作为结尾(但不知为何以86数字结尾)，因此其架构被称为x86。

1985年，英特尔发布第三代32位CPU架构，但由于数字并不能作为注册商标，英特尔将其称为IA-32，全名为“Intel Architecture, 32-bit”。同时 CPU 型号到了 intel 80386，所以也称为i386，叫法一直延续至今，现在说的 x86 = i386 = IA-32 指代32位的架构。

2001年，英特尔原本已经决定在64位时代推出新的架构IA-64技术的Itanium处理器产品线来接替取代x86，但它与x86的软件天生不兼容，因此想了各种办法来运行x86的软件，但结果效率十分低下，加之处理器本身和软件移植的成本难以控制，因此这个项目最终告吹。

2003年，英特尔的竞争对手AMD公司自行把32位x86（或称为IA-32）拓展为64位，并命名为x86-64或Hammer架构，而后更名为AMD64架构，将架构打上了自己的Flag，由于AMD64处理器产品线首先进入市场，微软先推出了基于AMD64的操作系统版本。就不愿意为英特尔IA-64再开发另一个64位版本，英代尔被迫采纳AMD64架构且增加某些新的扩展到他们自己的产品，显然他们不想承认这些指令集是来自它的主要对手，便命名为EM64T架构，后正式更名为Intel 64 也叫x64。

所以在PC机时代，你会很容易看到 x86， x86_64， x64 ，i386 ，IA32， IA64， amd64这些玩意，大概知道表示什么，但很烦就不能简单点吗 ? 其背后是硬件公司竞争对手之间，软硬件公司之间激烈的PK，这样的案例比比皆是，屡见不鲜。

MIPS

MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages），是一种采取精简指令集（RISC）的指令集架构（ISA），由美国MIPS计算机系统公司开发，现为美普思科技。作为RISC冲击CISC的领军人物之一，1981年，斯坦福大学的Hennessy带领团队研发出第一个MIPS架构处理器，这个至今被视为教科书一般的顶级指令集架构自此现世。MIPS广泛被使用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐设备与商业设备上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。商业市场主要竞争对手为ARM与RISC-V。

在一些大学和技术学校中计算机架构的课程上，学生们通常会学习MIPS架构。MIPS指令集被认为是RISC体系中最优雅的一种，这个架构极大地影响了后来的精简指令集架构，DEC的Alpha和惠普的Precision都深受其影响。

早期的MIPS公司发展迅速，始终立于RISC技术的潮头。公司成立次年，MIPS Release 1指令集即问世。1986年，几乎与ARM首款正式商用处理器ARM 2出现的同时，MIPS推出商用处理器R2000。至1988年，MIPS首款在市场上流行起来的产品R3000处理器横空出世。这款处理器销量迅速超过百万颗，不少公司的消费电子产品都用到了R3000，如索尼的PS、思科的路由器和SGI超级计算机等。美国首家电脑公司DEC、爱普生、日本电器等知名企业也都是MIPS的客户。其后续推出的R3000A更是创造了销量过亿的记录。

32位RISC芯片产品的成功促进了利用商品化部件生产超级计算机的进程，同时也启示业界以更高级的RISC技术迈向超级计算的顶峰，处理器架构掀起由32位向64位发展的浪潮。1991年，MIPS推出第一款64位商用微处理器R4000。次年底，同时代另一RISC架构Alpha问世，全面完成了从32位过渡到64位技术各项任务。自此，在MIPS R4000和Alpha 21064处理器引领下，64位技术应用时代到来。

1996年，MIPS推出R10000处理器，作为RISC阵营的旗舰之一，该处理器投放市场时被认为是世界上最快的CPU。彼时，已在CISC阵营中拔得头筹的英特尔产品与之相比都有所不如。MIPS产品性能强势若此。根据MIPS科技公司的统计，1997年以MIPS架构为基础的CPU出货量为4800万，占RISC CPU总市场份额的49％。

更重要的是，MIPS自成立之初便面向中高端市场，专注产品性能。当移动时代萌芽时，MIPS在功耗上没有太多优势，也未着力打造自己的移动处理器“朋友圈”，不得不在PC向移动进发的时代洪流中进退维谷。

MIPS授权分为处理器核授权和架构授权两类，MIPS的定价策略是核授权很贵，而架构授权很便宜。同时，MIPS的架构授权，并不限制任何对MIPS架构的更改。这种模式由于允许自行扩充指令，造成了生态碎片化。因为缺乏统一的生态。命运多舛，MIPS被转卖多次、很多相关专利已经被卖掉了、碎片化问题非常严重。2021年3月，MIPS宣布MIPS架构的开发已经结束，因为该公司正在向RISC-V 过渡。

ARM

ARM架构，过去称作高级精简指令集机器（Advanced RISC Machine），是一个精简指令集（RISC）处理器架构家族，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，其在其他领域上也有很多作为。ARM处理器非常适用于移动通信领域，符合其主要设计目标为低成本、高性能、低耗电的特性。

ARM架构版本从ARMv3到ARMv7支持32位空间和32位算数运算，大部分架构的指令为定长32位（Thumb）指令集支持变长的指令集，提供对32位和16位指令集的支持），而2011年发布的ARMv8-A架构添加了对64位空间和64位算术运算的支持，同时也更新了32位定长指令集。ARM处理器内核列表如下：

最著名的是 ARMv7指令集 支持两种指令集，ARM 指令集和 Thumb 指令集，从功耗上来说，thumb 指令集的功耗要低于 ARM 指令集。

至2009年为止，ARM架构处理器占市面上所有32位嵌入式RISC处理器90%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从便携式设备（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏和电脑）到电脑外设（硬盘、桌面型路由器），甚至在导弹的弹载电脑等军用设施中都有他的存在。

ARM公司的商业模式: IP(Intellectual Property,知识产权)授权模式(ARM架构授权、IP核授权、使用级授权);

主要业务范围: ARM指令集、ARM微架构、ARM芯片(不自己造)

RISC-V

RISC-V（发音为“risk-five”）号称芯片设计领域的 Linux，是一个基于精简指令集（RISC）原则的开源指令集架构（ISA），目标是成为一个通用的指令集架构（ISA），RISC-V的不同寻常不仅在于它是一个最近诞生的指令集架构（它诞生于最近十年，而大多数其他指令集都诞生于20世纪70到80年代），而且在于它是一个开源的指令集架构。与几乎所有的旧架构不同，它的未来不受任何单一公司的浮沉或一时兴起的决定的影响（这一点让许多过去的指令集架构都遭了殃）。它属于一个开放的，非营利性质的基金会。RISC-V基金会的目标是保持RISC-V的稳定性，仅仅出于技术原因缓慢而谨慎地发展它，并力图让它之于硬件如同Linux之于操作系统一样受欢迎。

RISC-V 指令使用模块化的设计，包括几个可以互相替换的基本指令集，以及额外可以选择的扩充指令集。所有基本跟扩充的指令集都是由科技产业、研究机构跟学术界合作开发的。基本指令集规范了指令跟他们的编码、控制流程、暂存器数目（以及它们的长度）、记忆体跟定址方式、逻辑（整数）运算以及其他。只要有软体以及一个通用的编译器的支援，只用基本指令集就可以制作一个简单的通用型的电脑。

标准的扩充指令集可以搭配所有的基本指令集以及其他扩充指令集，而不会发生冲突。

很多 RISC-V 电脑可能使用精简扩充指令集来降低电力消耗、程式的大小以及记忆体的使用。未来也有计划支援hypervisor和虚拟化。

Risc-V chipset design in 2070 by cornerstoneman

百文说内核 | 抓住主脉络

子曰：“诗三百，一言以蔽之，曰‘思无邪’。”——《论语》：为政篇。百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在开源鸿蒙内核源码加注释过程中，每每有心得处就整理，慢慢形成了以下文章。内容立足源码，常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景，具有画面感，容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念，那没什么意思。更希望让内核变得栩栩如生，倍感亲切.确实有难度，自不量力，但已经出发，回头已是不可能的了。
百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。与代码有bug需不断debug一样，文章和注解内容会存在不少错漏之处，请多包涵，但会反复修正，持续更新，v**.xx 代表文章序号和修改的次数，精雕细琢，言简意赅，力求打造精品内容。百篇博客系列思维导图结构如下：

根据上图的思维导图，我们未来将要和大家一一分享以上大部分关键技术点的博客文章。

百万汉字注解.精读内核源码

如果大家觉得看文章不过瘾，想直接撸代码的话，可以去下面四大码仓围观同步注释内核源码：

gitee仓：

https://gitee.com/weharmony/kernel_liteos_a_note

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codechina仓：

https://codechina.csdn.net/kuangyufei/kernel_liteos_a_note

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https://weharmony.coding.net/public/harmony/kernel_liteos_a_note/git/files

写在最后

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