計算機是用來做什么的？顧名思義用來計算的。不過在現代的計算機應用中，計算不是計算機主要工作內容（這個是后話）。

要計算我們就需要計算電路。計算電路有很多比如加法電路，減法電路，當然還有乘法除法等等。這些電路都是建立在與或非門的基礎之上的，這個在前面的章節有講解過。向這些電路輸入運算的數值，我們就能在輸出端很快（需要時間）得到我們想要的結果。但在計算之前計算機需要知道我們要做什么運算，用哪兩個數字做運算。

通過DMX和MUX選取對應的運算電路

所以我們需要通過輸入相應的指令來通知計算機。我們都知道計算機內部處理的都是0和1的電壓信號，所以我們給計算機的指令也得是0和1。假設我們規定加法是000，減法是001，乘法是010，除法是011，當然還有100、101等等別的運算。如此輸入計算機內，那么計算機就能夠區分我們要做哪些運算了。還記得MUX和DMX嗎？就是用這個部件來區分的。只能夠區分哪些運算還不夠，還得知道是哪些數。那也很簡單，我們把要輸入的數字和指令一起給計算機，比如11111（加數一） 00000（加數二） 000（加法），它的意思就是把11111和00000（二進制數）加起來。當然你也可以把000放到最前面，只要你的計算機能理解就行。

那么我們得出答案了，這個結果是11111（顯而易見），這個數字會出現在加法器末端。那我想接著把這個數字乘二要怎么辦呢？你當然可以再輸11111 00001 010，這樣就可以把11111乘2了。但是能不能更快一點呢?比如直接調用加法器結果11111？我們這里就需要用到寄存器來暫時存住數據。寄存器原理我們在之前的章節也曾講過。我們現在設置32個寄存器分別命名為00000、00001……11111。

左：通過MUX選擇要運算的寄存器

右：通過DMX選擇要寫回的寄存器

我們重寫之前的加法命令，現在可以是11111 00000 000 00000（寄存器編號）。意思是把11111和00000相加，結果放到00000寄存器里。那么我們接下來想把相加后的結果乘二，指令是不是就可以這樣寫：00000 10 010 00001 ？你應該懂得意思是把00000寄存器里的數字和10相乘，把積放到00001寄存器里。但是計算機不懂得，而你也只是結合了上下文才能如此理解。我同樣可以把這個指令認為是00和10相乘，把積放到01寄存器里。再者，我們輸入進計算機的數字是連續的，之間才不會有這么有愛的空格，這就出現歧義了。怎么處理這個問題呢？也很簡單。我們規定一下，這種直接寫入在指令的運算的數字我們稱之為立即數，這種立即數的長度必須是5位，因為如果不是和寄存器序號一樣是五位的話，計算機設計起來比較麻煩。我們只約定了長度還不夠，你還得告訴我這個五位數字是立即數還是寄存器序號。所以我們要再給指令加長兩位。如果是前一個五位數是立即數，那么第一個標志位是1。第二個同理。所以上面的這個乘二指令可以這樣寫了：00000 00010 010 0000101（指示第二個五位數是立即數）。

還沒結束，一般我們進行計算機編程的時候，代碼最好是干練的，這樣運行效率才最高。所以像第一個例子中的兩個立即數相加的情況是很少出現的，因為沒什么必要，程序員完全可以直接把兩個數字的和直接寫進程序中，不會讓計算機每次運行程序時為此再重算一遍。況且這種兩數相加完全可以通過兩次使用立即數的方法得到。所以我們可以把上述乘2指令簡化成00010 00000 010 00001 1。可以看到，前面兩個五位數字調換了順序，最后面的標志位變成了一位，其原因就是現在只會由第一個五位數字來充當立即數，而第二個永遠是寄存器數字。有人會問，這樣有什么好處嗎？有的，指令少了一位。意味著十條指令少了十位，以前內存可是按位賣的……所以在能滿足需求的情況下，要盡可能的短。但是這樣也有弊病。

這樣還不夠，有人認為立即數就五位夠什么用？這樣的立即數太小了。那我們把立即數擴充到十二位，范式是000000000000 00000 000 00000 0，我們把第一個五位數擴充到了十二位。那計算機每次遇到指令的時候就先看一下最后的標準位，判斷這條指令是立即數指令還是寄存器指令。如果是立即數指令，那就用得到十二位全部的數據，如果是寄存器指令，那就直接取最后五位數據，并對前面七位數字不作理會。有人有疑惑：不對啊，你前面剛說內存按位來賣，指令大小應該越少越好。那立即數指令長就長點，寄存器指令保持原長不好嗎，這樣不是很省內存空間嗎？有道理，所以這種變長（長度變化）指令是之前的x86的做法。可是時代變了，今昔不同往日，內存早已不是按位來賣的，這點空間浪費問題不大，定長指令是現在的主流。（注意，定長指令并不是極其嚴格的長度一致。64位的計算機可以執行32位指令甚至16位指令，為的是軟件的兼容性）更重要的是，這讓硬件解碼的工作來得輕松的多。并且想象一下，計算機指令是頭尾相連在一起的，如果指令長度不一樣，你甚至不知道第一個指令有多長，還得瘋狂斷句才能讀懂（文言文即視感）。

今天應該算是把指令編寫思路大致給講清楚了，我們下次具體看看risc-v指令集，即人家是怎么設計CPU指令的，和我今天講的有什么不同，以及如何在硬件中實現解碼指令。



審核編輯：劉清