4.1.1 指令集体系结构
机器指令（简称指令）是指示计算机执行某种操作的命令。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。指令系统是指令集体系结构(ISA)中最核心的部分。ISA完整定义了软件与硬件之间的接口，是机器语言或汇编语言程序员必须掌握的基础。
ISA规定的内容主要包括：
- 指令格式、寻址方式、操作类型，以及各操作所需操作数的个数、类型和寻址约束。
- 操作数的数据类型，以及是按大端还是小端方式存放。
- 程序可访问的寄存器编号、数量和位数，存储空间的大小及编址方式。
- 程序员可见的控制状态，如程序计数器、条件码的定义与行为等。
ISA规定了机器级程序的格式，因此机器语言或汇编语言程序员必须熟悉所用机器的ISA。然而，大多数程序员使用高级语言（如C/C++/Java）编程，因其开发效率高且不易出错。但高级语言的抽象层较高，隐藏了许多机器级细节，导致程序员难以利用与硬件结构相关的优化手段提升性能。若能充分理解ISA及底层硬件特性，则能开发出性能更优的程序。
4.1.2 指令的基本格式
一条指令是机器语言的一个语句，由一组有意义的二进制代码组成。其基本格式如下：
| 操作码字段 | 地址码字段 |
其中，操作码指明指令应执行的操作及功能，是识别指令、理解其作用以及确定地址码含义的关键，例如指示算术加法或减法、程序转移或返回等。地址码给出被操作信息（指令或数据）的地址，包括源操作数地址、目的操作数地址、转移目标地址或子程序入口地址等。
指令字长是指一条指令所包含的二进制位数，取决于操作码长度、地址码长度及地址码个数。在一个指令系统中，若所有指令字长相等，则称为定长指令字结构。定长指令取指和译码简单，有利于流水线实现。若指令字长随功能而异，则称为变长指令字结构。由于主存通常按字节编址，指令字长通常为字节的整数倍。
根据指令中操作数地址码数目的不同，可将指令分为以下几种格式。
1. 零地址指令
零地址：
| OP |
仅包含操作码，无显式地址。此类指令有两种情况：
- 无须操作数的指令，如空操作、停机、关中断等。
- 用于堆栈计算机的运算指令，其操作数隐含从栈顶和次栈顶弹出，运算结果压回栈顶。
2. 一地址指令
一地址：
| OP | |
其具体形式由操作码决定，常见有两种：
-
单操作数指令：按 地址读取操作数，执行OP操作后结果存回 。
指令含义：
如加1、减1、求反、求补、移位等。
-
累加器型双操作数指令： 为源操作数地址，另一操作数隐含在ACC，结果存入ACC。
指令含义：
若地址码为主存地址，完成一条一地址指令需3次访存（取指1次，取数1次，存结果1次）。
3. 二地址指令
二地址：
| OP | | |
指令含义：
二地址指令中， 为目的操作数地址（兼结果地址）， 为源操作数地址。若地址码均为主存地址，完成一条二地址指令需4次访存（取指1次，取两个操作数2次，存结果1次）。
4. 三地址指令
三地址：
| OP | | | (结果) |
指令含义：。
在三地址指令中， 和 为两个源操作数地址， 为结果地址。若地址码均为主存地址，完成一条三地址指令需4次访存（取指1次，取两个操作数2次，存结果1次）。
4.1.3 定长操作码指令格式
定长操作码指令在指令字的最高位部分分配固定位数表示操作码。一个 位操作码字段的指令系统最多可表示 条指令。定长操作码有利于简化硬件设计并提高译码速度。在字长为32位或更长的系统中，这种格式是常规用法。
4.1.4 扩展操作码指令格式
为在有限的指令字长内支持丰富的指令种类，常采用可变长度操作码，即指令的操作码字段位数不固定，且分散在指令的不同位置。这增加了指令译码和分析的难度，使控制器设计更加复杂。最常见的变长操作码方法是扩展操作码（见图4.1），它使操作码长度随地址码减少而增加，不同地址数的指令有不同长度的操作码，从而有效缩短指令字长。
操作码的位数随地址数的减少而增加
| OP | ||||
|---|---|---|---|---|
| 0000 | 4位操作码 | |||
| 0001 | 15条三地址指令 | |||
| 1110 | ||||
| 1111 | 0000 | 8位操作码 | ||
| 1111 | 0001 | 15条二地址指令 | ||
| 1111 | 1110 | |||
| 1111 | 1111 | 0000 | 12位操作码 | |
| 1111 | 1111 | 0001 | 15条一地址指令 | |
| 1111 | 1111 | 1110 | ||
| 1111 | 1111 | 1111 | 0000 | 16位操作码 |
| 1111 | 1111 | 1111 | 0001 | 16条零地址指令 |
| 1111 | 1111 | 1111 | 1111 |
图4.1 一种扩展操作码的安排方式
指令字长为16位，其中4位为基本操作码字段OP，另有3个4位长的地址字段 、和 。若4位基本操作码全部用于三地址指令，则最多支持16条指令。实际使用了15条三地址指令，保留1111作为扩展操作码；对于二地址指令，保留1111 1111作为扩展操作码，共15条；对于一地址指令，保留1111 1111 1111作为扩展操作码，共15条；零地址指令共16条。
除这种安排外，还有其他多种扩展方法，例如形成15条三地址指令、12条二地址指令、63条一地址指令和16条零地址指令，共106条指令，请读者自行分析。
在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点：
- 不允许短操作码成为长操作码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分相同。
- 各指令的操作码一定不能重复。
通常情况下，对使用频率较高的指令分配较短的操作码，对使用频率较低的指令分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。
4.1.5 指令的类型
设计指令系统时必须考虑应提供哪些操作类型，指令按功能可分为以下几种。
1. 数据传送指令
传送指令主要有寄存器之间的传送(MOV)、从内存单元读取数据到CPU寄存器(LOAD)、从CPU寄存器写数据到内存单元(STORE)、进栈操作(PUSH)、出栈操作(POP)等。
2. 算术和逻辑运算指令
算术和逻辑运算指令主要有加(ADD)、减(SUB)、乘(MUL)、除(DIV)、加1(INC)、减1(DEC)、与(AND)、或(OR)、取反(NOT)、异或(XOR)等。
3. 移位操作指令
移位指令主要有算术移位、逻辑移位、循环移位等。
4. 顺序控制指令
顺序控制指令主要有无条件转移(JMP)、条件转移(BRANCH)、调用(CALL)、返回(RET)、陷阱(TRAP)等。无条件转移指令在任何情况下都执行转移操作，而条件转移指令仅在特定条件满足时执行转移操作，转移条件通常是某个标志位的值或多个标志位的组合。
调用指令与转移指令的区别在于：调用指令会保存下一条指令的地址（返回地址），以便子程序执行结束后能返回到主程序继续执行；而转移指令则不返回。
5. 输入输出指令
输入输出指令用于完成CPU与外部设备交换数据或传送控制命令及状态信息。
6. CPU控制指令
CPU控制指令主要有停机、开中断、关中断、系统模式切换以及进入特殊处理程序等。这类指令只能在操作系统内核代码中使用，以防止用户误用，对系统运行造成危害。