指令集是计算机系统中硬件和软件之间交互的规范标准,绝大多数的软件,包括工业软件通过编译器翻译成汇编语言,而后通过汇编器翻译成一条一条的特定CPU计算机指令,然后在计算机CPU上运行。因此指令集决定了操作系统和应用软件的运行性能兼容性。
一、指令集的概念和范畴
计算机指令是计算机硬件直接能识别的命令,指令是由一串二进制数组成的机器语言,能实现取数、加法或逻辑运算等功能,计算机程序是由成千上万条指令组成的。
指令集是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令的集合。指令集主要规定了指令格式、寻址访存(寻址范围、寻址模式、寻址粒度、访存方式、地址对齐等)、数据类型、寄存器。指令集通常包括三大类主要指令类型,即运算指令、分支指令和访存指令。此外,还包括架构相关指令、复杂操作指令和其他特殊用途指令。因此,一种能被CPU执行的指令集不仅决定了CPU所要求的能力,而且也决定了指令的格式和CPU的结构,每一种新型的CPU在设计时就规定了一系列与其他硬件电路相配合的指令系统。X86架构、ARM架构、MIPS架构、RISC-V架构、LoongArch都是指令集的范畴。
二、工业软件与指令集的关系
1.工业软件所依赖的库和指令集关系密切
工业软件通常需要依赖各种不同的库,以提供所需的功能和支持。库是一组可重用代码的集合,其中包含已经被写好的函数、例程或类等。这使得开发工业软件变得更加高效,可以避免从头开始编写代码,可以直接使用和调用库中现成的代码块。常见的库包括数学库、图形库、数据库、网络库和通信库、加密库。这些库的性能与兼容性和指令集有着非常密切的关系,甚至形成了互相捆绑的关系,这些库在不同指令集上的性能和兼容性决定了工业软件的运行性能和兼容性。
2.指令集的发展直接影响工业软件所依赖的软硬件生态
软硬件生态是一切软硬件和应用生根的土壤。能够在具有某种指令集的CPU上运行的软件的集合,称为这种指令集的软件生态;能够在具有某种指令集的CPU上兼容的硬件的集合,称为这种指令集的硬件生态。当前最流行的几种CPU指令集(如X86指令集、ARM指令集),都被高科技技术领先的国家掌控。经过数十年的发展,在其强大的半导体工业基础和深厚的人才及技术储备的支撑下,美国通过控制指令集从而控制通用CPU,其不但在性能上超越具有其他指令集类型的CPU,更是通过与同样在它掌控下的操作系统等系统软件结合,优化和完善了软硬件生态。在工业软件漫长的研发过程中,绝大多数工业软件及其周边应用都依赖这样的软硬件生态。可以说通过控制和影响CPU的指令集,就可以达到控制整个工业软件生态的目的。
近年来出现了一些新的指令集生态,如我国国产自主可控的指令集——龙芯LoongArch指令集、申威指令集和来自社区的指令集RISC-V指令集,相关CPU芯片已经上市多年,但是它们对应基础软件生态发展缓慢,更别提上层的应用软件,特别是工业软件。究其原因就是软件生态建设是一个庞大的系统工程,不是单独一个企业和组织就能实现整个生态的建设。工业软件的发展更是一个长期的过程,一个复杂工业软件的开发一旦选择了指令集系统,往往只能依赖这个指令集之上的软硬件生态,其他指令集生态如果要支持和兼容相关的软硬件生态,这是一个庞大的系统工程,不仅需要大量的人力、物力投入,更需要国家从经济、教育、文化、法律等多方面、多层次的支持。国产CPU指令集的发展任重道远,基于国产CPU的工业软件的发展更是困难重重。
总之,工业软件研发与CPU指令集的发展趋势是紧密联系的,任何发展趋势都可能为工业软件带来新的机遇和挑战。因此,开发人员需要密切关注软硬件技术的发展,以确保他们的工业软件能够始终保持最佳的性能表现。国产CPU指令集发展更需要从兼容性和运行性能的角度来满足工业软件的需要,以促进国产CPU指令集软件生态的发展,进而促进基于国产CPU的工业软件发展。