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指令集是處理器體系架構(gòu)的重要組成部分。指令集有兩個(gè)發(fā)展方面，包括以X86為代表的CISC(復(fù)雜指令集)和以ARM、MIPS為代表的RISC（精簡(jiǎn)指令集）。CISC的目標(biāo)是盡可能將常用的功能用最少甚至一條指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此該指令對(duì)應(yīng)的執(zhí)行電路往往是復(fù)雜的，其側(cè)重的是硬件功能的實(shí)現(xiàn)；RISC則相反，其是將復(fù)雜的執(zhí)行電路進(jìn)行分解，即用盡可能簡(jiǎn)單的多指令去描述該功能，以軟件來(lái)降低硬件的復(fù)雜度，因此RISC對(duì)編譯器的要求比較高。CISC的指令長(zhǎng)度是可變的，執(zhí)行周期也不固定，而RISC則是定長(zhǎng)的、往往都是單周期執(zhí)行。寄存器多也是RISC的特點(diǎn)。 本文的重點(diǎn)不在于詳細(xì)比較RISC和CISC，而是介紹CPU指令的編碼和譯碼。我們都知道CPU的流水線執(zhí)行過(guò)程有取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和回寫（參看博文： CPU指令的流水線執(zhí)行），但很多人對(duì)于這些步驟的理解都僅僅在概念層面上的，有必要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)闡述，理解CPU指令的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。
我們都知道C語(yǔ)言是對(duì)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的解決方法和過(guò)程的高度抽象，其語(yǔ)法主要包括數(shù)值、邏輯運(yùn)算和分支控制轉(zhuǎn)移。數(shù)值運(yùn)算就是加減乘除（比較也是減法），邏輯運(yùn)算就是與、或、非、異或等，分支控制轉(zhuǎn)移包括if/else、for、while等語(yǔ)法。匯編語(yǔ)言是在機(jī)器層面上對(duì)C語(yǔ)言的理解和建構(gòu)，其指令同樣也包括數(shù)值、邏輯運(yùn)算、分支控制轉(zhuǎn)移，但是一行C語(yǔ)言可能需要多條匯編指令才能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于指令在內(nèi)存上，而CPU訪問(wèn)寄存器要比訪問(wèn)內(nèi)存要快得多，所以CPU的運(yùn)算一般都在寄存器中進(jìn)行，因此匯編語(yǔ)言一般都需要增加內(nèi)存和寄存器直接的數(shù)據(jù)加載/存儲(chǔ)指令。CPU只認(rèn)識(shí)二進(jìn)制輸入，所以可以把匯編語(yǔ)言當(dāng)次硬件層面上的偽代碼，其便于開(kāi)發(fā)人員熟記，同樣是低級(jí)語(yǔ)言。
指令的編碼就是實(shí)現(xiàn)匯編語(yǔ)言到二進(jìn)制機(jī)器碼的過(guò)程，其是匯編器實(shí)現(xiàn)的（編譯器是將C語(yǔ)言轉(zhuǎn)為匯編語(yǔ)言）。 現(xiàn)在假設(shè)某種簡(jiǎn)單的CPU只支持4種功能： 包括
1）加法 ADD Rd，Rs，Rn , 結(jié)果是Rd=Rs+Rn
2）減法 SUB Rd，Rs，Rn ,結(jié)果是Rd=Rs-Rn
3）數(shù)據(jù)傳送 MOV Rd，Rs，結(jié)果是Rd=Rs
4）數(shù)據(jù)加載 LDR Rd，[Rs]，結(jié)構(gòu)是將內(nèi)存中以Rs寄存器的值為地址取值賦給Rd
如何進(jìn)行編碼呢？
1）首先將指令分為操作碼+操作數(shù)兩個(gè)部分，操作碼即代表指令功能，如ADD、SUB等，其在CPU中就代表某種具體的電路，如ADD就代表加法電路，SUB代表減法電路；操作數(shù)即是代表功能的輸入和輸出，對(duì)應(yīng)電路的輸入和輸出。
2）現(xiàn)在共有4種功能，那至少需要2個(gè)比特來(lái)進(jìn)行編碼，如00代表ADD，01代表SUB，10代表MOV，11代表LDR；
3）操作數(shù)的編碼，假設(shè)寄存器共有8個(gè)，Rd，Rs，Rn都是其中的一個(gè)，即d，s，n的范圍是0到7，那至少需要3個(gè)比特來(lái)編碼，如000代表R0，001代表R1，以此類推，111代表R7.
那要實(shí)現(xiàn)以上四種功能指令，總共需要2+3+3+3=11個(gè)比特進(jìn)行編碼。如SUBR6,R1,R2，即R1減去R2的值賦給R7，那其編碼就是01 110 001 010.
理解完指令的編碼，那指令的譯碼應(yīng)該是比較好理解的。取指就是根據(jù)當(dāng)前程序計(jì)數(shù)寄存器PC（假設(shè)硬件電路規(guī)定R7就是寄存器PC）的值從內(nèi)存中取出機(jī)器碼指令，該機(jī)器碼的值是01 110 001010。接下來(lái)的過(guò)程就是譯碼，即根據(jù)最先的兩個(gè)比特01送入譯碼器，選擇為減法電路；110即譯碼選擇為R6，001譯碼選擇R1，010譯碼選擇R2.再接著的就是指令的執(zhí)行了，執(zhí)行就是減法單元電路對(duì)兩個(gè)輸入（R1,R2）進(jìn)行運(yùn)算，將結(jié)果賦給R6.
取指和譯碼都是CPU的 控制單元(CU)完成的，執(zhí)行是ALU（邏輯運(yùn)算單元）完成，可以將ALU看出是很多種電路的集合。CPU指令的設(shè)計(jì)和指令編碼息息相關(guān)。
ARM和MIPSCPU都是32位字長(zhǎng)，因此指令編碼是32比特，能夠支持和表達(dá)更多的功能（操作碼）和寄存器（操作數(shù)）。如ARM體系是r0到r15，因此需要4個(gè)比特來(lái)表示，當(dāng)然ARM的寄存器還有組的概念，即CPU在不同的工作模式時(shí)看到的寄存器可能是不同的，如r13，r14等。這些譯碼時(shí)不僅需要指令操作數(shù)作為輸入，還需要當(dāng)前狀態(tài)寄存器的值作為輸入。
16位指令集是因?yàn)槭裁串a(chǎn)生的呢？是因?yàn)橥瑯拥囊欢蜟語(yǔ)言代碼，用16位指令進(jìn)行編碼比32位編碼能夠節(jié)省30%的代碼量，代碼量越少，那占用的內(nèi)存就越少，自然成本越低。在MCU領(lǐng)域，一般都是成本敏感的，所以16為指令在MCU領(lǐng)域有非常廣泛的使用。
ARM和MIPS的指令設(shè)計(jì)是以32位為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其執(zhí)行也是32作為輸入的，那如何在32位指令集中實(shí)現(xiàn)16位呢？我們都知道二八原理，即20%的指令的使用率會(huì)達(dá)到80%，所以我們對(duì)這20%的指令（其是32位指令的一個(gè)子集）進(jìn)行編碼，自然可以用較少的比特?cái)?shù)來(lái)進(jìn)行編碼，而在16位指令使用時(shí)，我們可以強(qiáng)制要求其只使用一部分寄存器，那自然可以以更少的比特?cái)?shù)來(lái)進(jìn)行寄存器的編碼�？梢詫�16位指令集看成是32位指令集的一個(gè)子集，CPU在譯碼階段先將16為指令轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的32位指令，再進(jìn)行譯碼、執(zhí)行。
ARM的16位指令集為thumb指令集，MIPS的16為指令集為MIPS16指令集。至于32位指令集和16位指令集之間的無(wú)縫切換，請(qǐng)參看另一篇博文：32位和16位指令集模式自動(dòng)切換機(jī)制。
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