如何设计基于堆栈的机器指令集？

Question

基于堆栈的虚拟机(如CLR和JVM )有不同的指令集。在创建虚拟机的同时设计指令集有什么理论依据吗？例如，有JVM指令集将0-5的常量加载到堆栈中。

iconst_0
iconst_1
iconst_2
iconst_3
iconst_4
iconst_5

而在CLR中，有指令集将数字从0到8加载到堆栈上，如下所示

ldc.i4.0
ldc.i4.1
ldc.i4.2
ldc.i4.3
ldc.i4.4
ldc.i4.5
ldc.i4.6
ldc.i4.7
ldc.i4.8

为什么没有ldc.i4.9，如果有ldc.i4，为什么我们需要上面的操作码？还有其他类似的。

我很想知道，不同越南船民的操作码有何不同？是否有任何具体的理论来设计这些操作码，或者它完全是由VM本身的特性驱动的，还是依赖于高级语言结构？

Answer 1

通常，指令集是通过检查为类似机器生成的代码来设计的，以确定哪些指令发生得最频繁。设计人员还将使用他们提出的指令编写编译器(或者至少是GCC的后端)，以查看结果代码的效率(无论是在代码密度还是在执行速度方面)。我确信，CLR的设计者仔细研究了JVM，看看如何改进它，就像JVM的设计者从早期的VM (p-system，Forth，Smalltalk)中获得了洞察力一样。

一般ISA设计理论认为，最常用的操作码应该是最短的，因为这将导致最佳的代码密度(也是最好的性能，因为较短的指令往往更容易解码)。设计实际的编码方案(opcode+operand(S)+数据类型(S)+寻址模式(Art))完全取决于ISA架构师，是一门涉及大量经验的“黑人艺术”技能之一。

Answer 2

我只知道在指令集(ISA)设计中考虑问题的唯一一本书是和，其他大多数关于CA的书只是提供了一个分类，而不是走得太远。

对于您手头的问题，您必须与代码的密度进行权衡。一个ldc.i4就足以提供这个功能，但是每次使用它，它都需要1字节的指令和4字节的常量。仅使用1字节指令就可以提供一些特殊用途的ldc.i4.xx，这有助于提高代码的密度。但是很明显，你只能有256个一个字节的指令，所以你必须明智地使用它们。

而VM的另一个因素(对于硬件实现来说，这个因素不太正确)是这样的特殊指令不仅在指令流中占据更少的位置(对缓存压力和速度都有好处)，这些指令将比它们的等价指令执行得更快。