语言如何影响CPU设计？[关闭]

人们经常被告知，硬件并不在乎用哪种语言编写程序，因为它只能看到编译后的二进制代码，但这并不是全部。例如，考虑一下不起眼的Z80；它对8080指令集的扩展包括CPIR之类的指令，可用于扫描C样式（以NULL结尾的）字符串，例如执行strlen()。设计人员必须已经确定，运行C程序（与Pascal相反，在Pascal中，字符串的长度位于标头中）是他们的设计可能会使用的东西。另一个经典的例子是Lisp Machine。

还有什么其他例子？例如，使特定处理器偏爱特定语言约定的指令，寄存器的数量和类型，寻址模式？我对同一家庭的修订特别感兴趣。

现有答案集中在ISA更改上。硬件也有其他变化。例如，C ++通常使用vtable进行虚拟调用。从Pentium M开始，英特尔拥有一个“间接分支预测器”组件，该组件可以加速虚拟函数调用。

英特尔8086指令集包括“ ret”的变体，该变体在弹出返回地址后将值添加到堆栈指针。这对于许多Pascal实现非常有用，在该实现中，函数的调用者会在进行函数调用之前将参数推入堆栈，然后将其弹出。如果例程接受例如价值四个字节的参数，则该例程可以以“ RET 0004”结尾以清理堆栈。如果没有这样的指令，则这样的调用约定很可能需要代码将返回地址弹出到寄存器，更新堆栈指针，然后跳转到该寄存器。

有趣的是，尽管在68000中缺少便利指令，原始Macintosh上的大多数代码（包括OS例程）仍使用Pascal调用约定。使用该调用约定在典型的调用站点上可以节省2-4个字节的代码，但需要额外的代码每个带有参数的函数的返回站点的4-6字节代码。

一个示例是MIPS，它同时具有add和addu来捕获和忽略溢出。（也sub和subu）。它首先需要的类型的指令像Ada的语言（我认为-我从来没有实际使用阿达虽然）涉及明确溢出，而第二类为像C无视溢出的语言。

如果我没记错的话，实际的CPU在ALU中有一些额外的电路来跟踪溢出。如果人们唯一关心的语言是C，则不需要此语言。

Burroughs 5000系列旨在有效支持ALGOL，而英特尔iAPX-432旨在高效执行Ada。Inmos Transputer拥有自己的语言Occam。我认为Parallax“螺旋桨”处理器的设计旨在使用其自身的BASIC变体进行编程。

它不是语言，但是VAX-11指令集只有一条指令来加载流程上下文，该指令是根据VMS设计团队的要求而设计的。我不记得详细信息，但是ISTR实施了很多指令，以至于严重限制了他们可以调度的进程数量。

到目前为止，似乎没有人提到的一件事是，编译器优化的进步（在很大程度上与基本语言无关）推动了从CISC指令集（主要是由人编写的代码）向RISC指令集（大部分是设计供编译器编码。）

摩托罗拉68000系列引入了一些自动递增地址模式，使通过cpu复制数据非常高效和紧凑。

[更新示例]

这是一些影响68000汇编程序的C ++代码

while(someCondition)
    destination[destinationOffset++] = source[sourceOffset++]

在常规汇编程序中实现（伪代码，我忘记了68000汇编程序命令）

adressRegister1 = source
adressRegister2 = destination
while(someCondition) {
    move akku,(adressRegister1)
    move (adressRegister2), akku
    increment(adressRegister1, 1)
    increment(adressRegister2, 1)
}

有了新的地址模式，它变成了类似的东西

adressRegister1 = source
adressRegister2 = destination
while(someCondition) {
    move akku,(adressRegister1++)
    move (adressRegister2++), akku
}

每个循环只有两个指令，而不是4。

IBM的Z系列大型机是1960年代IBM 360的后代。

有一些专门用于加速COBOL和Fortran程序的指令。经典示例是BXLE–“索引低或相等的分支”，它是大多数Fortran for循环或PERFORM VARYING x from 1 by 1 until x > n封装在单个指令中的COBOL 。

还有一整套打包的十进制指令来支持COBOL程序中常见的定点十进制算术。

早期的Intel CPU具有以下功能，其中许多现在已在64位模式下废弃：

• ENTER，LEAVE和RET nn指令[早期手册明确告诉了那些针对块结构语言（例如，支持嵌套过程的Pascal）而引入的手册]
• 加快BCD运算速度的说明（AAA，AAM等）；在x87中也支持BCD
• JCXZ和LOOP指令，用于实现计数循环
• INTO，用于在算术溢出时（例如，在Ada中）生成陷阱
• XLAT用于表查找
• BOUND用于检查数组范围

存在于许多CPU的状态寄存器中的符号标志，可以轻松执行有符号和无符号算术运算。

SSE 4.1指令集介绍了用于计数和零终止（PCMPESTR等）的字符串处理指令。

另外，我可以想象有许多系统级功能旨在支持已编译代码的安全性（段限制检查，带有参数复制的调用门等）。

一些ARM处理器，主要是移动设备中的处理器，包括：（d）Jazelle扩展，它是硬件JVM解释器；它直接解释Java字节码。支持Jazelle的JVM可以使用硬件来加快执行速度并消除大量的JIT，但是如果无法在芯片上解释字节码，仍然可以确保回退到软件VM。

具有这种单元的处理器包括BXJ指令，该指令将处理器置于特殊的“ Jazelle模式”，或者，如果激活该单元失败，则将其解释为正常的分支指令。该单元重用ARM寄存器来保持JVM状态。

Jazelle技术的后继产品是ThumbEE

据我所知，这在过去更为普遍。

有问题的会话中，詹姆斯·高斯林说，总有人试图使可能与JVM字节码更好的处理硬件，但随后这些人会找到出路与普通“通用”英特尔的x86做（也许编译字节码）。

他提到使用通用的通用芯片（例如intel的芯片）有优势，因为它有一家大公司向该产品投入巨额资金。

该视频值得一看。他在第19或20分钟谈论此事。

我做了一个快速的页面搜索，似乎没有人提到专门为执行Forth而开发的CPU 。在第四编程语言是基于堆栈的，紧凑，在控制系统中使用。

在英特尔iAPX CPU专为面向对象语言设计的。不过，还没有完全解决。

所述iAPX 432（英特尔高级处理器架构）是英特尔的第一个32位微处理器的设计，在1981年引入的一组三个集成电路。它原本是1980年代英特尔的主要设计，它实现了许多高级的多任务处理和内存管理功能。因此，该设计被称为微型计算机。

iAPX 432被“设计为完全使用高级语言编程”，其中Ada是主要语言，它直接以硬件和微码支持面向对象的编程和垃圾回收。对各种数据结构的直接支持还旨在允许使用比普通处理器少得多的程序代码来实现iAPX 432的现代操作系统。这些特性和功能导致了硬件和微代码设计，其设计要比那个时代的大多数处理器（尤其是微处理器）复杂得多。

使用当今的半导体技术，英特尔的工程师无法将设计转化为非常有效的第一个实施方案。加上过早的Ada编译器缺乏优化，这导致了相当慢但昂贵的计算机系统，在相同的时钟频率下（1982年初）以典型新基准的1/4的速度执行了大约80倍新芯片的典型基准测试。

最初的性能差距与相当低调且价格低廉的8086系列产品有关，这可能是英特尔计划用iAPX 432代替后者（后来称为x86）的计划失败的主要原因。尽管工程师们看到了改进下一代设计的方法，但现在iAPX 432 功能体系结构已开始更多地被视为实现开销，而不是预期的简化支持。

iAPX 432项目是英特尔的商业失败。

68000具有MOVEM，它最适合于在一条指令中将多个寄存器推入堆栈，这是许多语言所期望的。

如果在整个代码中都看到在JSR（跳转子例程）之前出现了MOVEM（MOVE Multiple），那么您通常就知道您正在处理C兼容代码。

MOVEM允许目标寄存器的自动递增，从而允许每次使用继续在目标上堆叠，或者在自动递减的情况下从堆栈中删除。

http://68k.hax.com/MOVEM

Atmel的AVR架构完全是从头开始设计的，适合于用C进行编程。例如，本应用笔记进一步详细说明。

IMO认为这与robots4kids的出色回答密切相关，早期的PIC16-s是为直接汇编程序编程而开发的（共40条指令），后来的系列针对C。

在设计8087数字协处理器时，对于语言来说，使用最高精度类型执行所有浮点数学运算是很常见的，并且在将结果分配给较低精度变量时仅将结果舍入为较低精度。例如，在原始的C标准中，序列：

float a = 16777216, b = 0.125, c = -16777216;
float d = a+b+c;

将促进a和b到double，添加它们，推进c到double，添加它，然后存储结果四舍五入到float。即使在许多情况下，编译器生成可以直接对type执行操作的代码会更快float，但拥有一组仅对type操作的浮点例程和将double其转换为/的例程更为简单。从float，而不是有独立的组例程来处理业务float和double。8087是围绕该算术方法设计的，使用80位浮点类型来执行所有所有算术运算[可能选择80位是因为：

1. 在许多16位和32位处理器上，使用64位尾数和单独的指数要比使用值在尾数和指数之间划分一个字节的值更快。

2. 要进行精确到一个人使用的数值类型的精确度的计算是非常困难的。如果要尝试例如计算log10（x）之类的东西，则计算精确到80位类型的100ulp之内的结果要比计算精确到64位1ulp范围内的结果更容易和更快。类型，并将前一个结果四舍五入为64位精度将产生一个比后者更准确的64位值。

不幸的是，该语言的未来版本改变了浮点类型应如何工作的语义。如果语言始终如一地支持8087语义，如果函数f1（），f2（）等返回type的话float，本来很好，但是许多编译器作者还是会自己long double为64位double类型做一个别名而不是编译器的80位类型（并且不提供其他创建80位变量的方法），而是任意求值，例如：

double f = f1()*f2() - f3()*f4();

以下列任何一种方式：

double f = (float)(f1()*f2()) - (extended_double)f3()*f4();
double f = (extended_double)f1()*f2() - (float)(f3()*f4());
double f = (float)(f1()*f2()) - (float)(f3()*f4());
double f = (extended_double)f1()*f2() - (extended_double)f3()*f4();

请注意，如果f3和f4分别返回与f1和f2相同的值，则原始表达式显然应该返回零，但是后面的许多表达式可能不会。这导致人们谴责8087的“超精密度”，尽管最后一种形式通常会优于第三种形式，并且-适当地使用扩展双精度类型的代码-很少会逊色。

在最近的几年中，英特尔通过响应语言的（不幸的恕我直言）趋势，通过设计后期处理器以偏向于将结果取整为操作数的精度，从而有利于这种行为，从而损害了代码的利益，而使用较高的代码将使代码受益中间计算的精度。