CPU架构原理科普向：ISA
公司面试的时候，我遇到过一个比较有趣的问题是：你要设计cpu，你怎么向你奶奶解释你现在的工作。其实，这是一个非常有趣的问题，为什么面试的时候会经常问？因为cpu设计行业里面，很多专业的知识，别说一般市民，即使是公司里面的其他员工，随时是跨领域的对话，所以，必须会用比较简单的例子来解释复杂的问题。我当时回答是用厨房煮菜的过程来解释cpu的流水线。
那么开始吧。什么是isa？
isa, instruction set architecture. 中文就是，指令，集合，架构。在计算机里面，什么是isa呢？就是xx定义的一个指令集，这里的xx可以指任何东西。比如你只会做加法，你就定义一个叫加法isa，这个指令集只做加法。任何一个isa对于另外一个isa都没有根本意义上的“先进”，isa之间的对比是非常复杂的。你只会做加法，我只会做乘法，你说我们谁先进？我见得比较多的是争吵x86 isa比arm isa先进的，我往往一脸懵逼，好像他们比我懂，我是不是不应该插一腿进去...
x86 isa现在是Intel和AMD共同拥有，也就是说如果你要开新的x86cpu公司你必须向这两者付版权费用，而且必须两者都同意你才能获得完整的isa，如果你只获得一部分不完整的isa，那就和完全没拿到isa一样。ISA在cpu里面，就像是字典，用厨房的比喻就是菜谱，菜谱定义了你这个厨房会做什么菜，这个菜做出来是什么样什么味道，那么顾客在这家连锁店的任何一间都能叫到相同的菜，吃到相同的味道。
ARM isa 当然是ARM公司所有的，当时ARM公司是定菜单的，并且给出试菜的人，说你们每家店都要做出这个味才算ARM。而做店的则是不同的公司，像qualcomn啦，他们中间喜欢怎么做菜是他们的自由，但是必须会那几道菜，必须做出这个味。
x86的良好生态环境是因为他的ISA一直有legacy支持。legacy直接翻译就是遗产。x86的legacy支持的意思就是，世界上第一个x86cpu支持的东西，今年你发明的x86 cpu也支持，以后的也要支持。的确从某个角度上来说，农企和Intel都非常努力的去支持很多已经没什么人的东西，就是餐馆里菜谱里面有些菜基本上你都不会去试的。你说你都不用了，农企Intel还在那里浪费设计是吧？你不用不代表没人用啊，X国很多军用的设备还是Windows95啊，甚至还是服役中的Windows3.1啊，银行的atm还有用Windows98的。别问我为什么他们要那样，如果他们肯花钱找些软件工程师重新写那些程序，就可以用最新的东西，很多没有注释，现在没有人学的语言，或者算法诡异的程序，很多军事设备还在用啊。原因大概是：这种语言连学都没人学，我自己都看不懂，我看你怎么破解我的坦克系统！
但是实际上x86又不是完全100%legacy支持的，至少isa上面没有这样定义，农企和Intel也没有官方明文定义。x86里面有一个指令叫cpuid，系统/编译器运行它的时候，它会给出一些数据，就是告诉系统/编译器，这个cpu支持什么东西，这个cpu有些什么新东西之类的。所以，理论上可以设计一个cpu，不支持那些非常少用的指令，以降低cpu的设计复杂程度，也更省电省事。
那么代码是怎样运行的呢？给纯来看科普的读者的厨房比喻，你要组织一个宴会，然后你说了要弄些什么，你就是软件。然后有个人，专门根据你你要求，弄成一份菜单，他就是编译器。然后把这份菜单给厨房，基本上就是：读菜单拿食材（instruction fetch），切菜（decode），煮菜（execute），上盘出餐（load store and writeback）。然后前面就一读菜单，后面就一直工作。
有时候会听到cpu流水线，如果按照上面的做法，没一个指令都要通过这几部来预算，那么只有一部分电子器件在用的时候，其他部分都在发呆浪费电。就像是，厨房里面，从取菜到上盘全部都一个人做，肯定要累死那个人，但是你炒菜的时候，是不是想，如果有人已经帮你切好菜，我就一直炒菜好了，这样我们厨房工作效率就高了，cpu也是这样。
这是一个经典的cpu运行流水线。换成厨房理论，就是，一个人专门去食材，一个人专门切菜，一个人专门炒菜，一个人专门上盘，一个人专门给客人下单上菜，是不是现代化很多呢！
然而这样不能满足我们cpu的工程师，我们还有branch prediction，什么叫branch prediction呢？程序里面最耗时间的一个就是branch，就像c里面的if，你得到答案之前不知道是继续往下走还是进去if里面的括号。就像下单的小哥，那些犹豫不决而改菜单的人最讨厌了。于是cpu里面有了这个东西，他是怎么用的呢。下单的小哥也不是笨蛋，顾客a来了100多次了，有80次都改单把猪肉改成鸡肉，那么他下单时候，小哥就先说了，改鸡肉，如果顾客a觉得还是猪肉吧，就再抄，如果顾客a真的改单，那么厨房以及开始做了，而且有80%的几率啊，小哥还是挺聪明的吧。cpu也大概是这样，根据每个loop的地址(顾客)来训练出一个未卜先知的系统。
上图里面还有OOO（out of order），例如同一个register，你两个pipeline stage要用同一个相互依赖的register的场景是非常常见的。为了解决这个问题，就有了out of order execute， in order commit。就是不按顺序来运行指令，但是按顺序完成指令。
用厨房理论解释就是，有这么一道菜（或者说两道菜），鸡要先煮了然后炸，你煮熟鸡之前不能炸，否则炸了再煮，口感就不同了，顾客肯定骂死你，但是后面又有其他菜在等，锅你是有的，所以在煮鸡的时候，你先做后面的菜，然后鸡煮好了，再炸。出餐的时候，你还是先出了这道鸡肉再出后的菜，那样顾客就不会投诉出餐的顺序不按菜单了。
原网址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/20731557作者：虞己某CPU Design Engineer