(已更正) 這個(gè)問題包括CPU的硬件結(jié)構(gòu)和匯編語(yǔ)言的范疇. 這里梳理一下.

首先, 題主"李建國(guó)"自問自答的部分說的是正確的, CPU的指令集是軟件與CPU這兩個(gè)層級(jí)之間的接口, 而CPU自己, 就是對(duì)于這一套CPU指令集的"實(shí)例化".

無論處于上層的軟件多么的高級(jí), 想要在CPU執(zhí)行, 就必須被翻譯成"機(jī)器碼", 翻譯這個(gè)工作由編譯器來執(zhí)行. 編譯器在這個(gè)過程中, 要經(jīng)過"編譯", "匯編", "鏈接"幾個(gè)步驟, 最后生成"可執(zhí)行文件". 可執(zhí)行文件中保存的是二進(jìn)制機(jī)器碼. 這串機(jī)器碼可以直接被CPU讀取和執(zhí)行.

軟件意義上, "指令集"實(shí)際上是一個(gè)規(guī)范, 規(guī)范匯編的文件格式.
以下為一條x86匯編代碼:
mov word ptr es:[eax + ecx * 8 + 0x11223344], 0x12345678

這里可以體現(xiàn)出指令集的格式限制:
1. 可以使用mov指令, 但它只能有2個(gè)操作數(shù).
2. 它的操作數(shù)長(zhǎng)度是16 (word), 不要看到后面0x12345678就認(rèn)為是32位操作數(shù).
3. 它帶有段超越前綴, 這里使用了es, 還可以使用ds, cs, ss, fs, gs. 但是只能用這幾個(gè).
4. 第一個(gè)操作數(shù)是一個(gè)內(nèi)存地址, 第二個(gè)是立即數(shù). 但是, 這個(gè)內(nèi)存地址不能亂寫, 寫成[eax+ecx*10+0x11223344]就錯(cuò)了.

實(shí)際上, 一條匯編指令與一段機(jī)器碼是一一對(duì)應(yīng)的. 上面這段匯, 可以被x86編譯器翻譯成幾乎唯一的一段機(jī)器碼:
26 66 c7 84 c8 44 33 22 11 78 56
上面提到的1,2,3,4點(diǎn)如果有一個(gè)弄錯(cuò), 這一步就會(huì)失敗.

可以看出來, 指令集的作用, 就是告訴程序員/編譯器, 匯編一定要有格式. 支持什么指令, 指令帶什么限制條件, 用什么操作數(shù), 用什么地址, 都是指令集規(guī)范的內(nèi)容, 要是寫錯(cuò)了, 就無法翻譯成機(jī)器碼.
指令集規(guī)范匯編, 匯編可以翻譯成機(jī)器碼, 機(jī)器碼告訴CPU每個(gè)周期去做什么. 因此, CPU指令集是描述CPU能實(shí)現(xiàn)什么功能的一個(gè)集合, 就是描述"CPU能使用哪些機(jī)器碼"的集合".

那機(jī)器碼進(jìn)入到CPU后又做什么呢?
=====================編譯器和CPU的分界線========================

需要被執(zhí)行的機(jī)器碼先要被OS調(diào)度到內(nèi)存之中, 程序執(zhí)行時(shí), 機(jī)器碼依次經(jīng)過了Memory--Cache--CPU fetch, 進(jìn)入CPU流水線, 接著就要對(duì)它進(jìn)行譯碼了, 譯碼工作生成的象是CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)格式, 微碼(或者類似的格式, 這個(gè)格式不同的廠商會(huì)自己設(shè)計(jì)).

這個(gè)過程畫成圖就是:

軟件層: 匯編語(yǔ)言
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接口: 匯編語(yǔ)言所對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼
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硬件層: CPU使用內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)算

如果機(jī)器碼代表的功能是在指令集規(guī)范內(nèi)的, 這條機(jī)器碼就可以生產(chǎn)微碼, 并在CPU內(nèi)正常流動(dòng). 假設(shè)機(jī)器碼是錯(cuò)誤的, 是不可以通過CPU的譯碼階段的, 控制電路一定會(huì)報(bào)錯(cuò). 這種情況反映在Windows里往往都是藍(lán)屏, 因?yàn)镃PU無法繼續(xù)執(zhí)行, 它連下一條指令在哪都不知道.

那么指令集在CPU里就代表: 只有CPU指令集范圍內(nèi)的指令可以被成功的譯碼, 并送往CPU流水線后端去執(zhí)行.
和常規(guī)的想法不一樣, CPU不需要任何形式的存儲(chǔ)介質(zhì)去存儲(chǔ)指令集, 因?yàn)?#34;譯碼"這個(gè)步驟就是在對(duì)指令集里規(guī)范的機(jī)器碼做解碼. 硬件上, 譯碼這件事需要龐大數(shù)目的邏輯門陣列來實(shí)現(xiàn).

跳出格式這個(gè)圈子來看待這個(gè)問題. 可以說, CPU執(zhí)行單元的能力, 決定了指令集的范圍. 比如, CPU的執(zhí)行單元有能力執(zhí)行16位加法, 32位加法, 64位加法, 那么指令集里一般就會(huì)有ADD 16, ADD 32, ADD 64這樣的表達(dá)方式. 如果CPU的執(zhí)行單元沒有電路執(zhí)行AVX指令, 那么指令集里一般就沒有VINSERTF128這樣的指令供使用. 所以, 強(qiáng)有力的執(zhí)行單元能夠提供更多的指令集.

再來看"CPU指令集在哪里"這個(gè)問題, 回答是, CPU本身就是CPU指令集. 指令集規(guī)定CPU可以做什么事, CPU就是具體做這件事的工具. 如果一定要指定一個(gè)狹義的CPU指令集的存放位置. 那就是CPU中的"譯碼電路".

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作者：Cascade
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來源：知乎
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是，這個(gè)解釋起來有點(diǎn)長(zhǎng)。Be patient
現(xiàn)代的CPU沒拆過，我只在計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)課上用VHDL在某個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上做過一個(gè)模擬的CPU。舉個(gè)例子你可能比較好理解。
比如我們?cè)O(shè)計(jì)一套指令集，其中肯定有條加法指令。比如Add R1 R2 。我們可以認(rèn)為這條指令的意思是計(jì)算寄存器R1中的內(nèi)容和R2的和，然后把結(jié)果存到R1寄存器中。
那么經(jīng)過編譯后這條指令會(huì)變成二進(jìn)制，比如010100010010 。這條二進(jìn)制指令一共12位。明顯可以分為三大部分。最前面的0101表示這是條加法指令，后面0001說的是第一個(gè)操作數(shù)是寄存器1，最后0010說的是第二個(gè)數(shù)就是寄存器2（其實(shí)實(shí)際沒有這么簡(jiǎn)單的指令，至少應(yīng)該區(qū)分操作數(shù)是寄存器還是直接的數(shù)據(jù)，但為了把這說的更容易理解作了簡(jiǎn)化）。我們可以通過十二根導(dǎo)線把這條指令輸入一個(gè)CPU中。導(dǎo)線通電就是1，不通電就是0 。為了敘述方便我們從左到右用A0-A11給這12根導(dǎo)線編上號(hào)。
然后計(jì)算機(jī)會(huì)分析這條指令。步驟如下：

最開始的兩根導(dǎo)線A0和A1，第一根有電第二根沒電，就能知道這是一條運(yùn)算指令（而非存儲(chǔ)器操作或者跳轉(zhuǎn)等指令）。那么指令將被送入邏輯運(yùn)算單元（ALU）去進(jìn)行計(jì)算。其實(shí)很簡(jiǎn)單。只要這兩根線控制接下來那部分電路開關(guān)即可。

接下來的A2和A3，01表示加法，那么就走加法運(yùn)算那部分電路，關(guān)閉減法等運(yùn)算電路。

A4-A7將被送入寄存器電路，從中讀取寄存器保存的值。送到ALU的第一個(gè)數(shù)據(jù)接口電路上。

后面的A8-A11同樣被送入寄存器選擇電路，接通R2寄存器，然后R2就把值送出來，放到ALU的第二個(gè)數(shù)據(jù)接口上。

ALU開始運(yùn)算，把兩個(gè)接口電路上的數(shù)據(jù)加起來，然后輸出。

最后結(jié)果又被送回R1。

基本上簡(jiǎn)單的運(yùn)算計(jì)算機(jī)就是這么操作的。他其實(shí)不知道你那些指令都是什么意思。具體的指令編程機(jī)器碼后就會(huì)變成數(shù)字電路的開關(guān)信號(hào)。其中某幾段會(huì)作為控制信號(hào)，控制其他部分的數(shù)據(jù)走不同的電路以執(zhí)行運(yùn)算。他沒有一個(gè)地方保存著如何翻譯這些機(jī)器碼的字典，所有機(jī)器碼的意義都被體現(xiàn)在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)中了。
當(dāng)然，從匯編到機(jī)器碼這步是匯編程序翻譯的。匯編程序當(dāng)然知道某條指令要翻譯成什么樣的機(jī)器碼。
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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CPU指令集是什么东西的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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