指令集
指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）是软硬件之间的契约 contract；它定义软件能够看到与使用的硬件行为。设计 ISA 时，需要考虑：programmability（程序是否容易表达？）、implementability（是否容易在硬件上实现？）与 compatibility（是否能长期有效兼容？）。
执行模型与并行
ISA 的两种执行模型（execution model）：冯诺依曼模型 Von Neumann 与数据流模型 dataflow。
Von Neumann 模型维护一个 PC，根据顺序不断推进程序执行。而 dataflow 模型把程序建模成一张依赖图，其中的节点只要数据准备好就能触发操作。相比 Von Neumann，dataflow 显式地暴露出程序的并行机会。
Von Neumann 的指令格式通常是 [opcode] [src reg1] [src reg2] [dst reg]，指令 X 在指令 X+1 之前完成。而 dataflow 的指令格式通常是 [opcode] [dst ins1] [dst ins2]，每次挑选一个或多个准备完毕的指令 fire 即可。
dataflow 模型暴露的显式并行机会是有代价的。
- 同一指令的迭代运行（如 for-loop），需要通过 ordering 或 tagging 等机制防止并发打乱顺序。
- 运行中的程序更难暂停 => 可能使 debugging 异常痛苦！
- ...
现代处理器（e.g., ooo core）结合了两种思路，对外使用 Von Neumann ISA，对内则在有限窗口内使用 dataflow 按依赖调度。
此外，ISA 还可以从语义上表达并行。
- 标量指令（scalar instruction）：无并行，寄存器的数据类型是标量
- 向量指令（vector instruction）：需要硬件实现数据级并行（DLP），可表示 single instruction over multiple data（SIMD），寄存器的数据类型是宽向量
- VLIW（very-long instruction word）：需要硬件实现指令级并行（ILP），把可并行的指令放进一个指令包，寄存器的数据类型是标量
向量指令与 VLIW 对编译器的要求都很高。
操作数模型
操作数模型（operand model）规定了如何保存中间结果的语义。
课上介绍了以下几种：
memory-only 模型：直接操作存储。add B,C,A => mem[A]=mem[B]+mem[C]。不实用。
accumulator 模型：相当于是一个单元素存储。
load B => ACC = mem[B]
add C => ACC = ACC + mem[C]
store A => mem[A] = ACC
栈模型：有一个隐式的栈顶。
push B => stk[TOS++] = mem[B]
push C => stk[TOS++] = mem[C]
add => stk[TOS++] = stk[--TOS] + stk[--TOS]
pop A => mem[A] = stk[--TOS]
通用寄存器（general-purpose register）：提供多个可用的 accumulator。e.g., x86。
GPR with only load-store：有通用寄存器，并且只能通过 load 与 store 与存储交互。e.g., MIPS。
操作数模型的衡量标准：静态代码的长短、存储访问流量的大小、CPI。
寻址
寻址（memory addressing）规定了如何访问计算地址的语义。
注意虚拟地址与物理地址的转换。