x86、x64 和 MIPS 三种不同的指令集架构（ISA）的区别

x86、x64 和 MIPS 是三种不同的指令集架构（ISA），它们在设计目标、寄存器、指令集、内存模型等方面有显著区别。以下是它们的具体差异：

设计目标和背景

x86：
- 最初由 Intel 设计，用于早期的 16 位处理器（如 8086）。
- 后来扩展到 32 位（IA-32），广泛应用于个人电脑和服务器。
- 采用复杂指令集计算机（CISC）设计，指令长度可变，支持复杂的内存寻址模式。
x64（x86-64）：
- 是 x86 的 64 位扩展，由 AMD 设计，后由 Intel 采纳。
- 兼容 32 位 x86 指令集，同时引入了 64 位寄存器和地址空间。
- 仍然是 CISC 架构，但优化了性能和内存寻址能力。
MIPS：
- 由 MIPS Technologies 设计，是一种精简指令集计算机（RISC）架构。
- 强调简单、高效的指令集，固定长度的指令格式。
- 广泛应用于嵌入式系统、路由器和早期的工作站。

寄存器

x86：
- 8 个通用寄存器：EAX, EBX, ECX, EDX, ESI, EDI, EBP, ESP。
- 32 位寄存器（例如 EAX 是 32 位）。
- 分段内存模型（使用段寄存器和偏移量）。
x64：
- 16 个通用寄存器：RAX, RBX, RCX, RDX, RSI, RDI, RBP, RSP, R8-R15。
- 64 位寄存器（例如 RAX 是 64 位），同时支持 32 位、16 位和 8 位子寄存器（如 EAX, AX, AL）。
- 平坦内存模型（64 位线性地址空间）。
MIPS：
- 32 个通用寄存器：$0-$31，其中 $0 是硬编码的零寄存器（始终为 0）。
- 32 位寄存器（例如 $t0, $t1 等）。
- 专用寄存器：$pc（程序计数器），$hi 和 $lo（用于乘除法结果）。

指令集

x86：
- 复杂指令集（CISC），指令长度可变（1 到 15 字节）。
- 支持多种寻址模式（寄存器、直接、间接、基址加偏移等）。
- 指令功能强大，但解码和执行较复杂。
x64：
- 与 x86 类似，但扩展了 64 位指令和寄存器。
- 新增了一些指令以支持 64 位操作（如 MOVSXD 符号扩展指令）。
MIPS：
- 精简指令集（RISC），指令长度固定（32 位）。
- 指令集简单，通常每条指令只完成一个基本操作。
- 采用加载-存储架构（只有加载和存储指令可以访问内存）。

内存模型

x86：
- 分段内存模型（16 位模式下使用段寄存器和偏移量）。
- 32 位模式下支持平坦内存模型（4GB 地址空间）。
x64：
- 平坦内存模型，支持 64 位地址空间（理论上 2^64 字节，实际实现通常为 48 位或 52 位）。
- 不再使用分段内存模型。
MIPS：
- 平坦内存模型，32 位地址空间（4GB）。
- 采用加载-存储架构，所有算术和逻辑操作都在寄存器中完成。

调用约定

x86：
- 参数通常通过栈传递。
- 调用约定包括 cdecl、stdcall、fastcall 等。
x64：
- 前 6 个整数或指针参数通过寄存器传递（RCX, RDX, R8, R9, XMM0-XMM3 用于浮点数）。
- 剩余参数通过栈传递。
MIPS：
- 前 4 个参数通过寄存器传递（$a0-$a3）。
- 剩余参数通过栈传递。
- 返回值通常存放在 $v0 和 $v1 寄存器中。

性能和用途

x86/x64：
- 高性能，广泛用于桌面、服务器和笔记本电脑。
- 兼容性强，支持复杂的操作系统和应用程序。
MIPS：
- 低功耗，适合嵌入式系统和专用设备（如路由器、游戏机）。
- 指令集简单，易于实现流水线和优化。

示例代码对比

x86（32 位）

section .data
msg db "Hello, World!", 0

section .text
global _start
_start:
    mov eax, 4      ; sys_write
    mov ebx, 1      ; file descriptor (stdout)
    mov ecx, msg    ; message to write
    mov edx, 13     ; message length
    int 0x80        ; interrupt to invoke syscall

x64

section .data
msg db "Hello, World!", 0

section .text
global _start
_start:
    mov rax, 1      ; sys_write
    mov rdi, 1      ; file descriptor (stdout)
    mov rsi, msg    ; message to write
    mov rdx, 13     ; message length
    syscall         ; invoke syscall

MIPS

.data
msg: .asciiz "Hello, World!"

.text
.globl main
main:
    li $v0, 4       ; sys_write
    la $a0, msg     ; message to write
    li $a1, 13      ; message length
    syscall         ; invoke syscall

总结

特性	x86 (32 位)	x64 (64 位)	MIPS
寄存器	8 个 32 位寄存器	16 个 64 位寄存器	32 个 32 位寄存器
指令集	CISC	CISC	RISC
内存模型	分段或平坦	平坦	平坦
调用约定	栈传递参数	寄存器 + 栈	寄存器 + 栈
用途	桌面、服务器	桌面、服务器	嵌入式系统