指令系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從簡單到復(fù)雜的演變過程。早在20世紀(jì)50-60年代，計(jì)算機(jī)大多數(shù)采用分立元件的晶體管或電子管組成，其體積龐大，價格也很昂貴，因此計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，所支持的指令系統(tǒng)也只有十幾至幾十條最基本的指令，而且尋址方式簡單。

到60年代中期，隨著集成電路的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的功耗、體積、價格等不斷下降，硬件功能不斷增強(qiáng)，指令系統(tǒng)也越來越豐富。在70年代，高級語言己成為大、中、小型機(jī)的主要程序設(shè)計(jì)語言，計(jì)算機(jī)應(yīng)用日益普及。由于軟件的發(fā)展超過了軟件設(shè)計(jì)理論的發(fā)展，復(fù)雜的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直沒有很好的理論指導(dǎo)，導(dǎo)致軟件質(zhì)量無法保證，從而出現(xiàn)了所謂的“軟件危機(jī)”。人們認(rèn)為，縮小機(jī)器指令系統(tǒng)與高級語言語義差距，為高級語言提供很多的支持，是緩解軟件危機(jī)有效和可行的辦法。計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)者們利用當(dāng)時已經(jīng)成熟的微程序技術(shù)和飛速發(fā)展的VLSI技術(shù)，增設(shè)各種各樣的復(fù)雜的、面向高級語言的指令，使指令系統(tǒng)越來越龐大。這是幾十年來人們在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時，保證和提高指令系統(tǒng)有效性方面?zhèn)鹘y(tǒng)的想法和作法。

計(jì)算機(jī)的指令格式與機(jī)器的字長、存儲器的容量及指令的功能都有很大的關(guān)系。從便于程序設(shè)計(jì)、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度來看，指令中應(yīng)包含多種信息。但在有些指令中，由于部分信息可能無用，這將浪費(fèi)指令所占的存儲空間，并增加了訪存次數(shù)，也許反而會影響速度。因此，如何合理、科學(xué)地設(shè)計(jì)指令格式，使指令既能給出足夠的信息，又使其長度盡可能地與機(jī)器的字長相匹配，以節(jié)省存儲空間，縮短取指時間，提高機(jī)器的性能，這是指令格式設(shè)計(jì)中的一個重要問題。計(jì)算機(jī)是通過執(zhí)行指令來處理各種數(shù)據(jù)的。為了指出數(shù)據(jù)的來源、操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息：(1)操作碼。它具體說明了操作的性質(zhì)及功能。一臺計(jì)算機(jī)可能有幾十條至幾百條指令，每一條指令都有一個相應(yīng)的操作碼，計(jì)算機(jī)通過識別該操作碼來完成不同的操作。(2)操作數(shù)的地址。CPU 通過該地址就可以取得所需的操作數(shù)。(3)操作結(jié)果的存儲地址。把對操作數(shù)的處理所產(chǎn)生的結(jié)果保存在該地址中，以便再次使用。(4)下條指令的地址。執(zhí)行程序時，大多數(shù)指令按順序依次從主存中取出執(zhí)行，只有在遇到轉(zhuǎn)移指令時，程序的執(zhí)行順序才會改變。為了壓縮指令的長度，可以用一個程序計(jì)數(shù)器(Program Counter，PC)存放指令地址。每執(zhí)行一條指令，PC 的指令地址就自動 +1(設(shè)該指令只占一個主存單元)，指出將要執(zhí)行的下一條指令的地址。當(dāng)遇到執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，則用轉(zhuǎn)移地址修改 PC 的內(nèi)容。由于使用了 PC，指令中就不必明顯地給出下一條將要執(zhí)行指令的地址。

一條指令實(shí)際上包括兩種信息即操作碼和地址碼。操作碼(OperationCode，OP)用來表示該指令所要完成的操作(如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送等)，其長度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。地址碼用來描述該指令的操作對象，它或者直接給出操作數(shù)，或者指出操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址(即寄存器名)。一條指令就是機(jī)器語言的一個語句，它是一組有意義的二進(jìn)制代碼，指令的基本格式如：操作碼字段地址碼字段其中操作碼指明了指令的操作性質(zhì)及功能，地址碼則給出了操作數(shù)或操作數(shù)的地址。

各計(jì)算機(jī)公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的計(jì)算機(jī)，其指令的數(shù)量與功能、指令格式、尋址方式、數(shù)據(jù)格式都有差別，即使是一些常用的基本指令，如算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、轉(zhuǎn)移指令等也是各不相同的。因此，盡管各種型號計(jì)算機(jī)的高級語言基本相同，但將高級語言程序(例如 Fortran 語言程序)編譯成機(jī)器語言后，其差別也是很大的。因此將用機(jī)器語言表示的程序移植到其他機(jī)器上去幾乎是不可能的。從計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程已經(jīng)看到，由于構(gòu)成計(jì)算機(jī)的基本硬件發(fā)展迅速，計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代是很快的，這就存在軟件如何跟上的問題。大家知道，一臺新機(jī)器推出交付使用時，僅有少量系統(tǒng)軟件(如操作系統(tǒng)等)可提交用戶，大量軟件是不斷充實(shí)的，尤其是應(yīng)用程序，有相當(dāng)一部分是用戶在使用機(jī)器時不斷產(chǎn)生的，這就是所謂第三方提供的軟件。為了緩解新機(jī)器的推出與原有應(yīng)用程序的繼續(xù)使用之間的矛盾，1964 年在設(shè)計(jì) IBM360 計(jì)算機(jī)時所采用的系列機(jī)思想較好地解決了這一問題。從此以后，各個計(jì)算機(jī)公司生產(chǎn)的同一系列的計(jì)算機(jī)盡管其硬件實(shí)現(xiàn)方法可以不同，但指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)格式、I/O 系統(tǒng)等保持相同，因而軟件完全兼容(在此基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了兼容機(jī))。當(dāng)研制該系列計(jì)算機(jī)的新型號或高檔產(chǎn)品時，盡管指令系統(tǒng)可以有較大的擴(kuò)充，但仍保留了原來的全部指令，保持軟件向上兼容的特點(diǎn)，即低檔機(jī)或舊機(jī)型上的軟件不加修改即可在比它高檔的新機(jī)器上運(yùn)行，以保護(hù)用戶在軟件上的投資。