ISA——是 Instruction Set Architecture（指令集体系结构）的缩写，指令集因其系统性和复杂性，也被称为（Instruction Set Architecture，ISA）。指令集对上限定了软件的基本功能，对下制订了硬件实现的功能目标，因此指令系统的设计（指令集中应该包含哪些指令，指令应该采用什么样的格式来表示）是计算机系统设计中十分重要的一环。

一、指令集是什么？

指令集是一个计算机系统支持的所有机器指令的集合，它常被看作软硬件之间的分界面。计算机系统工作的基本过程是：程序员编写的软件经编译器翻译成可执行程序，也就是一个机器指令的序列，然后由底层硬件一条条读取这些指令来执行。

从上述过程可以看出，软件最终体现为指令集中的各种指令。指令集对上层软件来说，就是加减乘除等基本操作的一个集合，这些基本操作的堆砌形成了更复杂的软件功能，如队列堆栈、函数调用等。对下层硬件来说，指令集提供了一个计算机系统实现的目标蓝图，底层硬件可以看作对指令集的实现。

二、ISA两大阵营

1. 划分依据

按照指令系统复杂程度的不同，ISA 可分为 CISC 和 RISC 两大阵营。CISC 是指复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer）；RISC 是指精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer）。

2. CISC体系结构

CISC 体系结构：通过设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件指令实现，以此来提高计算机的执行速度。越来越多的复杂指令被加人指令系统中，逐渐形成了一个庞大且复杂的指令集。

CISC结构追求的目标是：强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。早期的计算机系统几乎全都是CISC架构，特别是微型机中 Intel 和 AMD 早期的 CPU 都是纯粹的 CISC体系架构，大量软件也是基于 CISC 架构来开发的，特别是广泛流行的操作系统软件。

3. RISC体系结构

20世纪70年代，RISC技术诞生，并在加州大学伯克利分校 David Patterson 和斯坦福大学 John Hennessy 等人的推广下得以广泛实现。

RISC体系结构的基本思想：尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单、能在一个节拍内执行完成的指令，而把较复杂的功能用段子程序来实现。 RISC通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式等方法，方便处理器内部的并行处理，提高超大规模集成电路(VLSI)器件的使用效率，从而大幅度地提高处理器的性能。

RISC 指令系统仅包含最常用的简单指令，因此可以通过硬件优化设计，把时钟频率提得很高，从而实现整个系统的高性能。同时，RISC 技术在 CPU 芯片上设置大量寄存器，用来保存常用的数据，以大大减少对存储器的访问，用高速的寄存器访问取代低速的存储器访问，从而提高系统整体性能。

4. 二者市场

目前，CISC 占据了桌面和服务器领域的大部分市场，RISC 占据了移动和物联网领域大部分市场，但它们只是代表了 ISA 设计的两个主要方向，在新一代的 CPU 设计中，正在逐渐融合 RISC和 CISC 技术，取长补短。

三、常用ISA简介

1. X86指令集

X86 是一个指令集家族，即许多与早期 X86 指令集 (Intel 8086 CPU 的指令集) 兼容的指令集。按微处理器体系结构不同，X86 指令集家族又分为 X86-32(IA-32) 和 X86-64(AMD64)。

X86 指令集是目前世界上最流行的指令集，也被认为是现存唯一的 CISC 指令集。其架构设计可能并不一直是处理器中做的最好的，但是 X86 的兼容性做的最好，即使在如今64位时代下，也能运行32位乃至16位的程序。

2. ARM指令集

ARM（Acom RISC Machine）属于 RISC 指令集架构，得益于 RISC 架构简洁的优势，可以很容易地实现低功耗需求，降低设计难度和散热性要求，同时具备良好的扩展性以满足众多需求。这使得 ARM 指令集架构非常适合嵌入式系统设计，因此，ARM 如今占据了手机等移动设备的大部分市场份额，并且发展势头良好。

ARM 公司本身既不生产芯片也不销售芯片，它只出售芯片技术授权。

ARM 的授权方式主要有两类：

核心级授权：只提供处理器核，可以和其他模块组合在一起形成可用的芯片；
架构级授权：指令集授权，可以使用 ARM 的 ISA，内核可以自行设计，但仍须服从 ARM 体系架构。

3. MIPS指令集

MIPS 是一种典型的 RISC 指令集架构，它最早是在20世纪80年代初期由斯坦福大学John Hennessy教授领导的研究小组研发出来的。如今，除了 ARM 以外最流行的 RISC 架构就是 MIPS了，我国的“龙芯”处理器也是基于MIPS指令集的，经过拓展并形成了自己的指令系统。

与当前商业化最成功的 ARM 架构相比，MIPS 指令比 ARM 稍微多一些，执行部分运算更为灵活；MIPS 的内核寄存器比 ARM 多倍，在同样的性能下 MIPS 的功耗会比 ARM 更低，在同样功耗下性能比 ARM 更高；在架构授权方面 MIPS 更为开放，允许授权商自行更改设计。然而 MIPS学院派的发展风格导致其商业进程远远滞后于 ARM，围绕 MIPS 的软件生态比 ARM 差很多。

总结

对于指令集 ISA 的探索，其主要目的还是在于提高计算机的性能，而提高计算机性能，需要对指令集中的指令种类、指令格式以及寻址方式等方法进行改进。在目前的市场领域，CISC 和 RISC 体现了ISA设计的两个主要方向，在新一代CPU的设计中，正在逐渐融合 RISC 和 CISC 技术，取长补短。

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