一个处理器支持的指令和指令的字节级编码称为ISA(指令集体系结构)，不同的处理器”家族“都有不同的ISA。一个程序编译成一种机器上运行，就不能再另一种机器上运行。另外，同一个家族里也有许多不同类型的处理器。因此，ISA在编译器编写者和处理器设计员之间提供了一个概念抽象层，编译器编写者只需要知道允许哪些指令，以及如何编码；而处理器设计者必须建造出执行这些指令的处理器。
Y86处理器是基于顺序操作、功能正确，但有点不实用。
一、Y86指令集体系结构
Y86程序中每条指令都会读取或修改处理器状态的某些部分。Y86的处理器有8个寄存器：%eax,%ecx,%edx,%ebx,%esi,%edi,%esp,%ebp，处理器每个程序寄存器存储一个字。寄存器%esp被入栈、出栈、调用和返回指令作为栈指针。而其他寄存器没有固定的含义或固定值。有三个一位的条件码：ZF、SF、OF，保存有关最近的算术或逻辑指令造成影响的信息。程序计数器(PC)存放着当前正在执行指令的地址。存储器，从概念上说是一个很大的字节数组，保存着程序和数据。Y86程序用虚拟地址来引用存储器位置。硬件和操作系统软件结合起来将虚拟地址翻译成明数据实际存在存储器中哪个地方的实际或物理地址。
二、逻辑设计和硬件控制语言HCL
在硬件设计中，电子电路被用来计算位的函数，以及在各种存储器元素中存储位。大多数现代电路设计都是用信号线上的高电压或低电压来表示不同的位值。通常的技术中，逻辑1是用1.0伏特左右的高电压表示，逻辑0是用0.0伏特左右的低电压表示。要实现一个数字系统需要三个主要的组成部分：计算位的函数的组合逻辑、存储位的存储器元素、以及控制存储器元素更新的时钟信号。
1.逻辑门
逻辑门是数字电路的基本计算元素。它们产生的输出，等于他们输入位值的某个布尔函数，AND,OR,NOT。逻辑门总是活动的，一旦一个门的输入变化了，在很短时间内，输出就会相应地变化。
2.存储器和时刻控制
组合电路从本质上来讲，不存储任何信息。相反只是简单地相应输入信号，产生等于输入的某个函数输出。为了产生时序电路，有状态并在在这个状态上进行计算的系统，引入了按位存储信息的设备。
- 时钟寄存器存储单个位或字。
- 随机访问存储器存储多个字，用地址选择读或该读哪个字。硬件和软件系统结合起来使处理器可以在很大的地址空间访问任意的字。
在硬件中，寄存器直接将它的输入和输出线连接到电路其他部分。在机器编程级别，寄存器代表CPU中为数不多的可寻址的字，这里的地址是寄存器ID。分别称这两类寄存器为“硬件寄存器”和”程序寄存器“。
(a) 硬件寄存器
大多数时候，寄存器保持在稳定状态（用x表示），产生的输出等于它当前状态。只要时钟是低电位，寄存器的输出状态保持不变。当时钟变成高电位，输入信号加载到寄存器，成为下一个状态y，这个状态就成为寄存器的新输出。
(b) 程序寄存器
下面展示典型的寄存器文件，寄存器文件有两个读端口(A和B)，还要一个写端口(W)。这样一个多端口随机访问存储器允许同时进行多个读和写操作。在图中，电路可以读两个程序寄存器的值，同时更新第三个寄存器的状态。每个端口都有一个地址输入，表明选择哪个程序寄存器，另外还有一个数据输出或对应程序寄存器的输入值。
三、硬件结构
实现所有Y86指令所需要的计算可以被组织成六个基本阶段：取指、解码、执行、访存、写回和更新PC。
- 取指：将程序计数器寄存器作为地址，指令存储器读取一个指令的字节,增加程序计数器
- 解码: 寄存器文件有两个读端口A和B,从这两个端口同时读寄存器值valA和valB.
- 执行:执行阶段根据指令的类型，将算术/逻辑单元(ALU)用于不同的目的。对整数操作，它需要执行指令所指定的运算。对其他指令，它会作为一个加法器来计算增加或减少栈指针，或者有效地址，或者只是简单地加0，将一个输入传递到输出。
- 访存：在执行访存操作时，数据存储器读出或写入一个存储字，指令和数据会根据条件码或转换码类型来计算分支信号Bch
- 写回：寄存器文件有两个写端口，端口E用来写ALU计算出来的值，端口M用来写从数据寄存器中读出的值。
