为什么英特尔x86等多数中央处理器不支持源操作数和目标操作数同时为内存的指令?
你提出的这个问题非常核心，触及了英特尔x86架构设计的一个重要哲学。简单来说，这种限制是为了平衡指令的灵活性、性能以及设计的复杂度。让我们来剖析一下其中的原因。
首先，我们需要理解一下什么是“源操作数”和“目标操作数”，以及为什么它们可以是内存。在CPU的指令集中，操作数（operand）就是指令要处理的数据。这些数据可以存放在CPU内部的寄存器里，也可以存放在CPU外部的内存中。
源操作数（Source Operand）：指令需要读取的数据。
目标操作数（Destination Operand）：指令处理完结果后需要写入的数据。
“同时为内存”指的是，一条指令的执行过程中，CPU既要从内存中读取源数据，又要将结果写回内存。例如，一条指令可能是 `ADD [内存地址1], [内存地址2]`，意思是“将内存地址1处的值加上内存地址2处的值，然后把结果写回内存地址1处”。
那么，为什么x86架构，尤其是像我们熟悉的Core i系列这样的复杂指令集计算机（CISC）体系，会尽量避免这种“内存到内存”的直接操作呢？主要有以下几个方面的原因：
1. 历史遗留与CISC设计哲学
早期的x86指令集设计是在一个资源非常有限的时代。内存访问是当时CPU中最昂贵的操作之一。为了最大化利用有限的指令码空间和寄存器资源，早期CISC指令集倾向于提供功能强大的指令，允许操作数在寄存器和内存之间进行复杂的交互。
“内存到内存”指令确实能提供一种“一次到位”的感觉，比如一个 `MOV` 指令就可以把一个内存地址的内容拷贝到另一个内存地址，而不需要经过寄存器。从表面上看，这似乎很高效。
然而，随着处理器性能的提升和技术的发展，CPU内部的寄存器数量增加，并且寄存器访问速度远超内存访问速度。设计上开始倾向于将更多操作放在高速的寄存器中进行，以提高整体吞吐量。
2. 性能与流水线效率
现代CPU内部都采用了流水线（Pipelining）技术来提高指令执行的并行度。指令的执行被分解成多个阶段（如取指令、解码、执行、写回等），不同的指令可以同时处于流水线的不同阶段。
“内存到内存”的指令对流水线造成了更大的挑战：
内存访问的延迟（Latency）：从内存读取数据需要花费很多个时钟周期，这个时间是固定的且相对较长。如果一条指令在执行阶段需要进行一次内存读取，然后又在写回阶段进行一次内存写入，这个过程中的内存访问会成为一个瓶颈。
资源冲突：如果一条指令同时需要访问两次内存，那么它可能需要更复杂的内存访问单元来支持，或者会阻塞其他同样需要访问内存的指令。这会增加CPU内部设计的复杂性，并可能导致流水线停顿（Pipeline Stall）。
依赖性：如果连续两条指令都涉及内存操作，例如：
`ADD [内存地址A], [内存地址B]`
`SUB [内存地址C], [内存地址A]`
在第二条指令需要使用第一条指令的计算结果时，如果第一条指令的内存写入还没有完成，第二条指令就无法读取正确的数据，从而导致流水线停顿。虽然乱序执行（OutofOrder Execution）和重排序（Reordering）技术可以缓解部分依赖问题，但对内存操作的依赖性处理起来更加棘手。
3. 设计复杂度与功耗
允许“内存到内存”的指令，意味着CPU在执行阶段需要同时处理两个内存地址的访问请求。这需要更复杂的内存控制器和总线接口逻辑。
解码复杂性：指令解码器需要能够解析出两个内存地址的操作数，并且知道如何处理它们。
执行单元复杂性：ALU（算术逻辑单元）需要能够接收来自内存的数据，并将其结果写回到另一个内存地址。
功耗增加：更复杂的逻辑单元通常意味着更高的功耗。在移动设备和高性能计算领域，功耗是一个非常关键的考量因素。
4. 指令集膨胀与编码效率
x86是一个CISC指令集，指令编码相对复杂。如果允许所有可能的内存到内存组合，指令的格式会变得非常庞大和不规则，这会：
增加指令缓存（Instruction Cache）的压力：更大的指令集意味着需要更大的指令缓存，或者更低的缓存命中率。
降低指令编码效率：为了表达复杂的内存到内存操作，可能需要更长的指令编码，占用更多的总线带宽。
5. 寄存器在现代CPU中的作用
现代CPU拥有数量众多的通用寄存器（General Purpose Registers, GPRs）。这些寄存器是CPU内部最快的数据存储区域。将数据先加载到寄存器，在寄存器中进行计算，然后再将结果写回内存，这种“寄存器到寄存器”或“内存到寄存器”再“寄存器到内存”的模式，在性能上更加可控和可预测。
例如，x86体系中，通常需要先使用 `MOV` 指令将内存中的数据加载到寄存器，然后在寄存器中进行计算，最后再用 `MOV` 指令将结果写回内存。
```assembly
; 假设我们要实现 [mem_dest] = [mem_src1] + [mem_src2]
MOV EAX, [mem_src1] ; 将 mem_src1 的值加载到 EAX 寄存器
ADD EAX, [mem_src2] ; 将 mem_src2 的值加到 EAX 寄存器 (EAX 仍是源操作数, [mem_src2] 是另一个源)
MOV [mem_dest], EAX ; 将 EAX 的结果写回 mem_dest
```
这条指令链虽然有三条指令，但它利用了寄存器的速度优势，并且在流水线中更容易管理。CPU可以优化地调度这些操作，例如，当 `MOV EAX, [mem_src1]` 还在等待内存数据时，如果 `[mem_src2]` 的数据已经准备好，CPU可以先执行 `ADD EAX, [mem_src2]`（如果这部分依赖关系可以解决的话，或者指令本身就被设计成这样）。更重要的是，这个过程中的内存访问是相对独立的，更容易处理。
总结
尽管在某些特定场景下，“内存到内存”的指令可能看起来更简洁，但从整体的CPU架构设计和性能优化的角度来看，限制这种直接操作是有其合理性的。它在以下几个方面找到了一个平衡点：
性能可预测性：将计算转移到寄存器，使得CPU对内存延迟的敏感度降低。
流水线效率：减少了流水线停顿的可能性，提高了指令吞吐量。
设计复杂度：避免了过于复杂的内存访问逻辑和指令解码。
功耗与成本：简化设计有助于降低功耗和制造成本。
因此，现代x86处理器虽然拥有强大的指令集，但在设计时倾向于通过多条指令来完成“内存到内存”的等效操作，将中间计算过程交给高速的寄存器来完成，以换取更好的整体性能和更优化的架构。这是一种在设计权衡下的产物，也是CPU技术不断演进的体现。
首先，我们需要理解一下什么是“源操作数”和“目标操作数”，以及为什么它们可以是内存。在CPU的指令集中，操作数（operand）就是指令要处理的数据。这些数据可以存放在CPU内部的寄存器里，也可以存放在CPU外部的内存中。
源操作数（Source Operand）：指令需要读取的数据。
目标操作数（Destination Operand）：指令处理完结果后需要写入的数据。
“同时为内存”指的是，一条指令的执行过程中，CPU既要从内存中读取源数据，又要将结果写回内存。例如，一条指令可能是 `ADD [内存地址1], [内存地址2]`，意思是“将内存地址1处的值加上内存地址2处的值，然后把结果写回内存地址1处”。
那么，为什么x86架构，尤其是像我们熟悉的Core i系列这样的复杂指令集计算机（CISC）体系，会尽量避免这种“内存到内存”的直接操作呢？主要有以下几个方面的原因：
1. 历史遗留与CISC设计哲学
早期的x86指令集设计是在一个资源非常有限的时代。内存访问是当时CPU中最昂贵的操作之一。为了最大化利用有限的指令码空间和寄存器资源，早期CISC指令集倾向于提供功能强大的指令，允许操作数在寄存器和内存之间进行复杂的交互。
“内存到内存”指令确实能提供一种“一次到位”的感觉，比如一个 `MOV` 指令就可以把一个内存地址的内容拷贝到另一个内存地址，而不需要经过寄存器。从表面上看，这似乎很高效。
然而，随着处理器性能的提升和技术的发展，CPU内部的寄存器数量增加，并且寄存器访问速度远超内存访问速度。设计上开始倾向于将更多操作放在高速的寄存器中进行，以提高整体吞吐量。
2. 性能与流水线效率
现代CPU内部都采用了流水线（Pipelining）技术来提高指令执行的并行度。指令的执行被分解成多个阶段（如取指令、解码、执行、写回等），不同的指令可以同时处于流水线的不同阶段。
“内存到内存”的指令对流水线造成了更大的挑战：
内存访问的延迟（Latency）：从内存读取数据需要花费很多个时钟周期，这个时间是固定的且相对较长。如果一条指令在执行阶段需要进行一次内存读取，然后又在写回阶段进行一次内存写入，这个过程中的内存访问会成为一个瓶颈。
资源冲突：如果一条指令同时需要访问两次内存，那么它可能需要更复杂的内存访问单元来支持，或者会阻塞其他同样需要访问内存的指令。这会增加CPU内部设计的复杂性，并可能导致流水线停顿（Pipeline Stall）。
依赖性：如果连续两条指令都涉及内存操作，例如：
`ADD [内存地址A], [内存地址B]`
`SUB [内存地址C], [内存地址A]`
在第二条指令需要使用第一条指令的计算结果时，如果第一条指令的内存写入还没有完成，第二条指令就无法读取正确的数据，从而导致流水线停顿。虽然乱序执行（OutofOrder Execution）和重排序（Reordering）技术可以缓解部分依赖问题，但对内存操作的依赖性处理起来更加棘手。
3. 设计复杂度与功耗
允许“内存到内存”的指令，意味着CPU在执行阶段需要同时处理两个内存地址的访问请求。这需要更复杂的内存控制器和总线接口逻辑。
解码复杂性：指令解码器需要能够解析出两个内存地址的操作数，并且知道如何处理它们。
执行单元复杂性：ALU（算术逻辑单元）需要能够接收来自内存的数据，并将其结果写回到另一个内存地址。
功耗增加：更复杂的逻辑单元通常意味着更高的功耗。在移动设备和高性能计算领域，功耗是一个非常关键的考量因素。
4. 指令集膨胀与编码效率
x86是一个CISC指令集，指令编码相对复杂。如果允许所有可能的内存到内存组合，指令的格式会变得非常庞大和不规则，这会：
增加指令缓存（Instruction Cache）的压力：更大的指令集意味着需要更大的指令缓存，或者更低的缓存命中率。
降低指令编码效率：为了表达复杂的内存到内存操作，可能需要更长的指令编码，占用更多的总线带宽。
5. 寄存器在现代CPU中的作用
现代CPU拥有数量众多的通用寄存器（General Purpose Registers, GPRs）。这些寄存器是CPU内部最快的数据存储区域。将数据先加载到寄存器，在寄存器中进行计算，然后再将结果写回内存，这种“寄存器到寄存器”或“内存到寄存器”再“寄存器到内存”的模式，在性能上更加可控和可预测。
例如，x86体系中，通常需要先使用 `MOV` 指令将内存中的数据加载到寄存器，然后在寄存器中进行计算，最后再用 `MOV` 指令将结果写回内存。
```assembly
; 假设我们要实现 [mem_dest] = [mem_src1] + [mem_src2]
MOV EAX, [mem_src1] ; 将 mem_src1 的值加载到 EAX 寄存器
ADD EAX, [mem_src2] ; 将 mem_src2 的值加到 EAX 寄存器 (EAX 仍是源操作数, [mem_src2] 是另一个源)
MOV [mem_dest], EAX ; 将 EAX 的结果写回 mem_dest
```
这条指令链虽然有三条指令，但它利用了寄存器的速度优势，并且在流水线中更容易管理。CPU可以优化地调度这些操作，例如，当 `MOV EAX, [mem_src1]` 还在等待内存数据时，如果 `[mem_src2]` 的数据已经准备好，CPU可以先执行 `ADD EAX, [mem_src2]`（如果这部分依赖关系可以解决的话，或者指令本身就被设计成这样）。更重要的是，这个过程中的内存访问是相对独立的，更容易处理。
总结
尽管在某些特定场景下，“内存到内存”的指令可能看起来更简洁，但从整体的CPU架构设计和性能优化的角度来看，限制这种直接操作是有其合理性的。它在以下几个方面找到了一个平衡点：
性能可预测性：将计算转移到寄存器，使得CPU对内存延迟的敏感度降低。
流水线效率：减少了流水线停顿的可能性，提高了指令吞吐量。
设计复杂度：避免了过于复杂的内存访问逻辑和指令解码。
功耗与成本：简化设计有助于降低功耗和制造成本。
因此，现代x86处理器虽然拥有强大的指令集，但在设计时倾向于通过多条指令来完成“内存到内存”的等效操作，将中间计算过程交给高速的寄存器来完成，以换取更好的整体性能和更优化的架构。这是一种在设计权衡下的产物，也是CPU技术不断演进的体现。
网友意见
如果只是问为什么没有mov mem, mem这种指令的话，我觉得只是因为指令长度不够，8086里没有mov mem, mem指令，也没有双立即数操作。
下图是8086指令集里寄存器和内存的描述信息编码，长度是一个字节。
8086时代，CPU的指令缓冲队列是6字节，同时代的8088，指令集是相同的，但指令缓冲队列只有4字节，能了解到的最长的8086时代的指令是3字节，加上段描述编码的话，就正好是4字节，而双内存操作或者双立即数操作，指令编码自身可能就需要4字节，就没办法添加段描述编码了。80286以后指令长度上限调整了，但这个时候指令的编码都已经定型了，再引入这么一种新的编码意义不大。
另外，数据暂存器是有的，8086的ALU那是有一个暂存寄存器的，可以用来临时存储一些东西，所以应该不是暂存器的问题。
而且movs和push/pop（比如push [si]）/dec/inc（比如inc [bx]）实际上都可以完成mem到mem的操作。mov指令的问题是，如果加了mov，那么对应的各种mov的变体也叫增加，这样的组合就太大了，比如mov [esi * 4 + 2], [0x12345678]，这种编码，在目前的ModR/SIB的模式下是组合不出来的。
一些其它的猜测：
1. mov mem, mem这种用法，可能会对cache一致性设计产生一些干扰，要同时维护两个cache line，太复杂，读写延迟太大。
2. 数据暂存器需要两个甚至多个，早期CPU里暂存器只有一个，电路上不够用。
3. 要么就是历史设计问题，8008的指令集延续下来的习惯。
4. 世界上应该存在着双mem操作的指令集。
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