构建简易计算机：探索指令集架构

"这篇资料是关于指令集架构的讲解，主要涉及如何构建一个简单的计算机，包括设计指令集、实现计算N*(N-1)的数据路径，以及探讨可编程控制系统的概念。课程6.004在2002年秋季的一堂课中，通过一系列幻灯片介绍了如何设计和优化指令集，以及可程序化引擎的重要性。" 在构建一个简易的计算机时，指令集架构（ISA）起着至关重要的作用。ISA定义了计算机硬件理解和执行的基本指令集，它直接影响到计算机的性能、压缩度和可编程性。设计者需要在效能、压缩度和可编程性之间做出平衡。保持指令的一致性，如指令长度和执行时间，有助于简化设计，提高速度，并利于采用管道技术。另一方面，指令集的复杂度也是一大考虑因素，需要权衡不同级别的操作和指令的数量。 "简化指令集计算机"（RISC）哲学主张使用简单指令以优化速度，通过减少指令数量和复杂性来提高处理器效率。然而，构建计算机不只是科学，也是一门艺术。模拟现有的架构是评估和决定设计的有效方法。 在6.004课程中，通过一个计算N*(N-1)的例子，展示了数据路径的设计。在这个过程中，使用了可载入缓存器，只有当LE标志为1时，缓存器才会加载新值。为了实现更复杂的计算，如阶乘，需要一个可编程的控制系统，即有限状态机，通过不同的控制序列来执行程序的各个步骤。 优化程序执行通常涉及并行计算，例如，某些程序部分可以同时进行计算。通过可程序化系统，我们可以重配置控制逻辑来解决新的计算问题，比如增加逻辑电路和输入到控制有限状态机来计算阶乘。这种可编程性使得数据路径可以复用，以高效地解决多种问题，而控制则保持相对简单。 尽管如此，这个简易的计算机仍存在局限性，例如有限的存储空间、有限的操作功能以及固定不变的程序。它缺乏图灵机的扩展性内存、多样操作能力以及生成和执行新程序的功能，因此不能作为通用的计算设备。这些限制突显了在设计计算机系统时必须考虑的扩展性和灵活性。