指令集是處理器體系架構的重要組成部分。指令集有兩個發展方面，包含以X86為代表的CISC(復雜指令集)和以ARM、MIPS為代表的RISC（精簡指令集）。CISC的目標是盡可能將經常使用的功能用最少甚至一條指令來實現，因此該指令相應的運行電路往往是復雜的，其側重的是硬件功能的實現；RISC則相反，其是將復雜的運行電路進行分解，即用盡可能簡單的多指令去描寫敘述該功能，以軟件來減少硬件的復雜度，因此RISC對編譯器的要求比較高。CISC的指令長度是可變的，運行周期也不固定，而RISC則是定長的、往往都是單周期運行。寄存器多也是RISC的特點。

本文的重點不在于具體比較RISC和CISC，而是介紹CPU指令的編碼和譯碼。我們都知道CPU的流水線運行過程有取指、譯碼、運行、訪存和回寫（參看博文：CPU指令的流水線運行），但非常多人對于這些步驟的理解都只在概念層面上的，有必要對其進行具體闡述，理解CPU指令的設計和實現。

我們都知道C語言是對現實問題的解決方法和過程的高度抽象，其語法主要包含數值、邏輯運算和分支控制轉移。數值運算就是加減乘除（比較也是減法），邏輯運算就是與、或、非、異或等，分支控制轉移包含if/else、for、while等語法。匯編語言是在機器層面上對C語言的理解和建構，其指令相同也包含數值、邏輯運算、分支控制轉移，可是一行C語言可能須要多條匯編指令才干實現。同一時候因為指令在內存上，而CPU訪問寄存器要比訪問內存要快得多，所以CPU的運算一般都在寄存器中進行，因此匯編語言一般都須要添加內存和寄存器直接的數據載入/存儲指令。CPU僅僅認識二進制輸入，所以能夠把匯編語言當次硬件層面上的偽代碼，其便于開發者熟記，相同是低級語言。

指令的編碼就是實現匯編語言到二進制機器碼的過程，其是匯編器實現的（編譯器是將C語言轉為匯編語言）。 如今如果某種簡單的CPU僅僅支持4種功能：包含

1）加法 ADD Rd，Rs，Rn , 結果是Rd=Rs+Rn

2）減法 SUBRd，Rs，Rn , 結果是Rd=Rs-Rn

3）數據傳送 MOV Rd，Rs，結果是Rd=Rs

4）數據載入 LDR Rd，[Rs] ，結構是將內存中以Rs寄存器的值為地址取值賦給Rd

怎樣進行編碼呢？

1）首先將指令分為操作碼+操作數 兩個部分，操作碼即代表指令功能，如ADD、SUB等，其在CPU中就代表某種詳細的電路，如ADD就代表加法電路，SUB代表減法電路；操作數即是代表功能的輸入和輸出，相應電路的輸入和輸出。

2）如今共同擁有4種功能，那至少須要2個比特來進行編碼，如00代表ADD，01代表SUB，10代表MOV，11代表LDR；

3）操作數的編碼，如果寄存器共同擁有8個，Rd，Rs，Rn都是當中的一個，即d，s，n的范圍是0到7，那至少須要3個比特來編碼，如000代表R0，001代表R1，以此類推，111代表R7.

那要實現以上四種功能指令，總共須要2+3+3+3=11個比特進行編碼。如SUB R6,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，那指令的譯碼應該是比較好理解的。取指就是依據當前程序計數寄存器PC（如果硬件電路規定R7就是寄存器PC）的值從內存中取出機器碼指令，該機器碼的值是01 110 001 010。接下來的過程就是譯碼，即依據最先的兩個比特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運行了，運行就是減法單元電路對兩個輸入（R1,R2）進行運算，將結果賦給R6.

取指和譯碼都是CPU的控制單元(CU)完畢的，運行是ALU（邏輯運算單元）完畢，能夠將ALU看出是非常多種電路的集合。CPU指令的設計和指令編碼息息相關。

ARM和MIPS CPU都是32位字長，因此指令編碼是32比特，可以支持和表達很多其它的功能（操作碼）和寄存器（操作數）。如ARM體系是r0到r15，因此須要4個比特來表示，當然ARM的寄存器還有組的概念，即CPU在不同的工作模式時看到的寄存器可能是不同的，如r13，r14等。這些譯碼時不僅須要指令操作數作為輸入，還須要當前狀態寄存器的值作為輸入。

16位指令集是由于什么產生的呢？是由于相同的一段C語言代碼，用16位指令進行編碼比32位編碼可以節省30%的代碼量，代碼量越少，那占用的內存就越少，自然成本越低。在MCU領域，一般都是成本敏感的，所以16為指令在MCU領域有很廣泛的使用。

ARM和MIPS的指令設計是以32位為基礎進行設計，其運行也是32作為輸入的，那怎樣在32位指令集中實現16位呢？我們都知道二八原理，即20%的指令的使用率會達到80%，所以我們對這20%的指令（其是32位指令的一個子集）進行編碼，自然能夠用較少的比特數來進行編碼，而在16位指令使用時，我們能夠強制要求其僅僅使用一部分寄存器，那自然能夠以更少的比特數來進行寄存器的編碼。能夠將16位指令集看成是32位指令集的一個子集，CPU在譯碼階段先將16為指令轉化為相應的32位指令，再進行譯碼、運行。

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位指令集之間的無縫切換，請參看還有一篇博文：32位和16位指令集模式自己主動切換機制。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的指令的编码与译码原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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