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，包括以X86爲代表的CISC(複雜指令集)和以ARM、MIPS爲代表的RISC（精簡指令集）。CISC的目標是儘可能將常用的功能用最少甚至一條指令來實現，因此該指令對應的執行電路往往是複雜的，其側重的是硬件功能的實現；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述該功能，以軟件來降低硬件的複雜度，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。寄存器多也是RISC的特點。
本文的重點不在於詳細比較RISC和CISC，而是介紹CPU指令的編碼和譯碼。我們都知道CPU的流水線執行過程有取指、譯碼、執行、訪存和回寫（參看博文：CPU指令的流水線執行），但很多人對於這些步驟的理解都僅僅在概念層面上的，有必要對其進行詳細闡述，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，其語法主要包括數值、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，分支控制轉移包括if/else、for、while等語法。彙編語言是在機器層面上對C語言的理解和建構，其指令同樣也包括數值、邏輯運算、分支控制轉移，但是一行C語言可能需要多條彙編指令才能實現。同時由於指令在內存上，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，因此彙編語言一般都需要增加內存和寄存器直接的數據加載/存儲指令。CPU只認識二進制輸入，所以可以把彙編語言當次硬件層面上的僞代碼，其便於開發人員熟記，同樣是低級語言。
指令的編碼就是實現彙編語言到二進制機器碼的過程，其是彙編器實現的（編譯器是將C語言轉爲彙編語言）。 現在假設某種簡單的CPU只支持4種功能：包括
1）加法 ADD Rd，Rs，Rn , 結果是Rd=Rs+Rn
2）減法 SUB Rd，Rs，Rn , 結果是Rd=Rs-Rn
3）數據傳送 MOV Rd，Rs，結果是Rd=Rs
4）數據加載 LDR Rd，[Rs] ，結構是將內存中以Rs寄存器的值爲地址取值賦給Rd
如何進行編碼呢？
1）首先將指令分爲操作碼+操作數 兩個部分，操作碼即代表指令功能，如ADD、SUB等，其在CPU中就代表某種具體的電路，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，對應電路的輸入和輸出。
2）現在共有4種功能，那至少需要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，假設寄存器共有8個，Rd，Rs，Rn都是其中的一個，即d，s，n的範圍是0到7，那至少需要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，總共需要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。取指就是根據當前程序計數寄存器PC（假設硬件電路規定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，即根據最先的兩個比特01送入譯碼器，選擇爲減法電路；110即譯碼選擇爲R6，001譯碼選擇R1，010譯碼選擇R2. 再接着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.
取指和譯碼都是CPU的控制單元(CU)完成的，執行是ALU（邏輯運算單元）完成，可以將ALU看出是很多種電路的集合。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，能夠支持和表達更多的功能（操作碼）和寄存器（操作數）。如ARM體系是r0到r15，因此需要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。這些譯碼時不僅需要指令操作數作爲輸入，還需要當前狀態寄存器的值作爲輸入。
16位指令集是因爲什麼產生的呢？是因爲同樣的一段C語言代碼，用16位指令進行編碼比32位編碼能夠節省30%的代碼量，代碼量越少，那佔用的內存就越少，自然成本越低。在MCU領域，一般都是成本敏感的，所以16爲指令在MCU領域有非常廣泛的使用。
ARM和MIPS的指令設計是以32位爲基礎進行設計，其執行也是32作爲輸入的，那如何在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，自然可以用較少的比特數來進行編碼，而在16位指令使用時，我們可以強制要求其只使用一部分寄存器，那自然可以以更少的比特數來進行寄存器的編碼。可以將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爲指令轉化爲對應的32位指令，再進行譯碼、執行。
ARM的16位指令集爲thumb指令集，MIPS的16爲指令集爲MIPS16指令集。至於32位指令集和16位指令集之間的無縫切換，請參看另一篇博文：32位和16位指令集模式自動切換機制。