CPU 指令集（Instruction Set Architecture, ISA）

本文摘自网络

概念

指令集是存储在CPU内部，对CPU运算进行指导和优化的硬程序，用来引导CPU进行加减运算和控制计算机操作系统的一系列指令集合。拥有这些指令集，CPU就可以更高效地运行。系统所下达的每一个命令都需要CPU根据预先设定好的某一条指令来完成。这些预先定好的指令统称为cpu指令集，它是预存在CPU里边的。CPU依靠外来指令“激活”自己内存的指令，来计算和操控电脑。 每款CPU在设计时就规定了一系列与电脑其它部件相配合的指令系统。预先存储的指令越多，CPU就越“聪明”。可以做的“动作”越多。预先存储的指令越先进，CPU就越高级。可以这样说指令集是软件与CPU之间的一个接口而CPU就是接口的实列化。其实指令集就是一组汇编指令的集合，不同的CPU使用的指令集不同。

CPU指令集是在CPU设计时固化在里面的“硬程序”，整合在CPU内部的逻辑电路中，不是什么代码，也谈不上“存储”。所以我们在CPU里是不可能找到“指令集”的实体的，如果非要具象化，那它就是“汇编语言”转换到“机器码”（相当于一个翻译过程）+CPU执行机器码的晶体管和逻辑电路的集合，也可以说CPU指令集的存放位置.是CPU中的"译码电路".

作用

指令集定义了一台计算机可以执行的所有指令的集合，每条指令规定了计算机执行什么操作，所处理的操作数存放的地址空间以及操作数类型。ISA规定的内容包括数据类型及格式，指令格式，寻址方式和可访问地址空间的大小，程序可访问的寄存器个数、位数和编号，控制寄存器的定义，I/O空间的编制方式，中断结构，机器工作状态的定义和切换，输入输出结构和数据传送方式，存储保护方式等。因此，可以看出，指令集体系结构是指软件能够感知到的部分，也称软件可见部分。

指令集的存在规定了CPU如何识别汇编指令，以及如何与操作系统（上层）交互。打个比方说，指令集就像路上的红绿灯，红灯停绿灯行，车辆什么时候可以走，什么时候不可以走，都是按这个既定规则才能执行的，而且这个规则不可变动。我们常用的win7、win10等操作系统的底层架构就是基于CPU的指令集进行设计的，必须无条件服从指令集体系。

软件意义上, "指令集"实际上是一个规范, 规范汇编的文件格式.
以下为一条x86汇编代码:
mov word ptr es:[eax + ecx * 8 + 0x11223344], 0x12345678

这里可以体现出指令集的格式限制:
1. 可以使用mov指令, 但它只能有2个操作数.
2. 它的操作数长度是16 (word), 不要看到后面0x12345678就认为是32位操作数.
3. 它带有段超越前缀, 这里使用了es, 还可以使用ds, cs, ss, fs, gs. 但是只能用这几个.
4. 第一个操作数是一个内存地址, 第二个是立即数. 但是, 这个内存地址不能乱写, 写成[eax+ecx*10+0x11223344]就错了。

分类

1、CISC(复杂指令集)
 指令集较丰富，对特殊任务有专用的特殊指令，执行特殊功能（科学计算之类的）也就是说指令集里面的每个指令较长，每个指令都分成好几个微指令来处理，正是因为指令集丰富所以在开发程序时较简单，但在执行时效率较低，处理数据时速度较慢，使得译   码器翻译二进制代码时较慢。

2、RISC（精简指令集计算机）

注重的是指令集的优化，RISC的设计者对哪些常用的指令进行优化使它们更加简单高效，对于那些不常用的指令会将其组合起来去实现某些特殊的功能，所以RISC指令集位数较短，所 以执行效率高，译码和处理数据较快。

两类指令集的比较

	CISC	RISC
指令系统	指令比较多，基本上是一个功能一条指令；每个特定、复杂的功能都有专门的指令。因此实现特殊功能容易，每条指令可以处理的工作比较丰富；格式不规则，执行时间较长	只有少数的常用指令；对不常用的功能或大部分复杂操作使用简单指令合成。因此实现复杂功能时，效率可能不高。但可例用流水线和超标量技术加以改进和弥补。格式非常标准；每条指令执行时间都很短
操作	指令多，操作直接。使用微程序来实现指令操作。	有限制，控制简单。大多数操作都是在寄存器之间的操作。
CPU架构	电路单元丰富，结构复杂，面积大，功耗大	单元电路较少，结构简单，布局紧凑，面积小，功耗小

总之，指令集决定了CPU的架构和设计，在CPU基础上决定了操作系统的实现，也决定了编译性语言的编译器的实现，也就影响到应用程序的编写，甚至决定了行业生态。