计算机架构及设计:操作与操作数(Operation & Operands)
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发布时间：2024-10-24 01:13
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时间：2024-10-24 13:14
计算机架构及设计：操作与操作数（Operation & Operands）
本章探讨了硬件设计的两大原则：简单有利于规律（Simplicity favors regularity）以及越小越快（Smaller is faster）。原则1从更高层次解释了为什么计算机操作需要指令，且每个指令具有固定且不多的操作数。原则2则抽象地解释了为何寄存器操作数快速但数量有限。
计算机的操作由指令组成，每个指令都有固定的操作数，且每个操作数都不可或缺，不可多。这种指令的简单性及固定性成就了程序的复杂操作，遵循着简单有利于规律的硬件设计原则。因此，通用处理器采用指令集架构，以应对复杂操作，而复杂的操作则需简单指令来实现。
计算机的操作数分为三种类型：寄存器操作数、存储操作数及立即操作数。寄存器作为ALU单元的入口，速度最快，但数量有限，只能存储有限的变量。对于包含大量变量的数组或结构体，只能存储部分变量，此时需要存储操作数，将数据先放入内存，待需要时从内存加载。立即操作数是为了处理程序中的常量而设计，大多数程序都涉及对特定常量的自增或自减操作。采用内存加载的方式会消耗大量带宽，因此立即数是为了这种需求而存在的。
以下是三种操作数的详细分析：
1. **寄存器操作数**：算术运算操作数必须在固定的寄存器中进行计算，因此所有算术运算都需要将参与运算的数据放入寄存器。这是基于冯诺依曼体系的决定，CPU上的ALU数据来源和结果存储均来自寄存器，RSIC-V架构同样基于这一体系。RSIC-V典型架构采用32个位寄存器。寄存器数量不是越多越好，而是32个，这遵循了越小越快的原则，过多的寄存器使用会导致更大的硬件设计延时。
2. **存储操作数**：对于包含大量数据的数组和结构体，寄存器数量不足以容纳，此时需要将数据存储在内存中。在算术运算操作时，需要数据搬运指令来将当前参与运算的数据从内存搬运到寄存器。
3. **常量或立即操作数**：常量或立即数操作体现了常见情况更快的思想（common case faster）。在许多程序中存在常量操作，如果将常量存储在内存中，会带来时间及能耗开销。例如，在RSIV中，支持立即数加法（addi指令），无需从内存加载常量，可直接进行相加操作，节省时间和能耗。
市场上的CPU架构，无论是RSIC-V还是其他通用计算机架构，本质上都是基于冯诺依曼架构体系，指令集和操作数的设计始终围绕性能和能效进行。新的架构，如RSIC-V，通过借鉴其他架构的优点和缺点，发展出了具有更好扩展性的新型架构。
