1.1.2 万能的指令

CPU是计算机的“指挥中心”，计算机的每一个“动作”都服从“指挥中心”的安排。不过CPU没有自主意识，它的工作其实非常机械、简单，无非是不知疲倦地循环获取、理解和执行指令（Instruction）。这些指令来自内存，但内存当然不是CPU的“上司”，它更像一份备忘录或日程表，上面记录着一条条需要执行的指令（也就是人们常说的程序）。内存中的指令加载自外存，而外存中的指令是通过I/O模块事先输入进去的（编程），其源头最终指向计算机的使用者——人类。人才是CPU真正的“上司”，如图1.1所示。

图1.1　CPU指令溯源

人们把某个CPU支持的所有指令的合集称为指令集（Instruction Set），数据类型、寄存器数量和种类、内存管理方式等计算机的核心设计都围绕指令集展开，这些内容搭建了计算机的整体框架，统称为指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA），简称架构。人们谈论CPU时常说的x86、ARM就是指不同的CPU架构。

以公司职员为例，假设某位职员具备数据整理、统计分析、邮件收发、总结汇报等基本技能。老板可能会对他下达这样的任务：汇总本周的经营数据，整理成表后与上周情况进行对比；将分析结果群发给各部门经理，收齐他们的反馈意见，形成周报后发给老板。

这项任务可以拆分成如表1.1所示的一系列指令，每条指令都是对职员技能的调用。如果将这4项技能用计算机的语言编号（00数据整理、01统计分析、10邮件收发、11总结汇报），那么整个任务的指令代码（简称指令码）序列就是00 01 10 10 11 10。

表1.1　公司职员的任务分解

不过，单单标识技能项的指令是不完整的，职员还需要知道该对谁、对什么事物施展这些技能。不妨把表中的施展对象也一一编号：000本周数据、001汇总表、010上周数据、011分析结果、100各部门经理、101反馈意见、110周报、111老板。那么这项任务的完整指令码序列就有了，具体如下：

00 000 001
01 010 011
10 011 100
10 101
11 011 101 110
10 110 111

如果读者对《01改变世界：计算机发展史趣谈》中讲解的穿孔纸带上的程序还有印象，那一定对上述指令格式并不陌生。指令码中，标识技能的部分称为操作码（Operation Code），标识作用对象的部分称为地址码（Address Code）。单条指令中，操作码有且仅有一个，但地址码可以没有或多个。

地址码可以是待处理的操作数（Operand）[1]本身，但更多情况下，它标识着操作数的地址，操作数存在于内存，或者CPU中一种名为寄存器（Register）的容器中。内存被人为划分成一块块小区域，相当于一个个小抽屉，每个“抽屉”都有自己独有的编号，即内存地址。每个寄存器也有自己独有的编号，即寄存器地址。

[1] 也称运算数，指处理或运算的对象。引入这一概念，是因为“数据”过于宽泛，操作数、地址、指令等都是数据。

一个内存“抽屉”或一个寄存器可以存储一个操作数或一条指令（包括操作码和地址码），在冯•诺依曼体系结构中指令也是一种数据。

仔细琢磨，寄存器其实古已有之，算盘中的档、机械计算器中的齿轮、机电计算器中的继电器，都发挥着临时存储的作用，只不过它们还肩负着运算的使命，那时的运算器和寄存器尚未严格分离。