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(複雜指令集)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，因此該指令相應的執行電路往往是複雜的，其側重的是硬體功能的實現；risc則相反，其是將複雜的執行電路進行分解，即用盡可能簡單的多指令去描寫敘述該功能，以軟體來減少硬體的複雜度，因此risc對編譯器的要求比較高。cisc的指令長度是可變的，執行週期也不固定，而risc則是定長的、往往都是單週期執行。暫存器多也是risc的特點。
本文的重點不在於具體比較risc和cisc，而是介紹cpu指令的編碼和解碼。我們都知道cpu的流水線執行過程有取指、解碼、執行、訪存和回寫（參看博文：cpu指令的流水線執行
），但非常多人對於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。組合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語言可能須要多條彙編指令才幹實現。同一時候因為指令在記憶體上，而cpu訪問暫存器要比訪問記憶體要快得多，所以cpu的運算一般都在暫存器中進行，因此組合語言一般都須要新增記憶體和暫存器直接的資料載入/儲存指令。cpu僅僅認識二進位制輸入，所以能夠把組合語言當次硬體層面上的偽**，其便於開發者熟記，相同是低階語言。
指令的編碼就是實現組合語言到二進位制機器碼的過程，其是彙編器實現的（編譯器是將c語言轉為組合語言）。 如今如果某種簡單的cpu僅僅支援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）資料傳送 mov rd，rs，結果是rd=rs
4）資料載入 ldr rd，[rs] ，結構是將記憶體中以rs暫存器的值為位址取值賦給rd
怎樣進行編碼呢？
1）首先將指令分為操作碼+運算元 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；運算元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個位元來進行編碼，如00代表add，01代表sub，10代表mov，11代表ldr；
3）運算元的編碼，如果暫存器共同擁有8個，rd，rs，rn都是當中的乙個，即d，s，n的範圍是0到7，那至少須要3個位元來編碼，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個位元進行編碼。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，那指令的解碼應該是比較好理解的。取指就是依據當前程式計數暫存器pc（如果硬體電路規定r7就是暫存器pc）的值從記憶體中取出機器碼指令，該機器碼的值是01 110 001 010。接下來的過程就是解碼，即依據最先的兩個位元01送入解碼器，選擇為減法電路；110即解碼選擇為r6，001解碼選擇r1，010解碼選擇r2. 再接著的就是指令的執行了，執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.
取指和解碼都是cpu的控制單元(cu)完畢的，執行是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位元，可以支援和表達很多其它的功能（操作碼）和暫存器（運算元）。如arm體系是r0到r15，因此須要4個位元來表示，當然arm的暫存器還有組的概念，即cpu在不同的工作模式時看到的暫存器可能是不同的，如r13，r14等。這些解碼時不僅須要指令運算元作為輸入，還須要當前狀態暫存器的值作為輸入。
16位指令集是由於什麼產生的呢？是由於相同的一段c語言**，用16位指令進行編碼比32位編碼可以節省30%的**量，**量越少，那占用的記憶體就越少，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，其執行也是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位指令的乙個子集）進行編碼，自然能夠用較少的位元數來進行編碼，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暫存器，那自然能夠以更少的位元數來進行暫存器的編碼。能夠將16位指令集看成是32位指令集的乙個子集，cpu在解碼階段先將16為指令轉化為相應的32位指令，再進行解碼、執行。
arm的16位指令集為thumb指令集，mips的16為指令集為mips16指令集。至於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。
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