计算机指令执行过程详解

淡淡的烟草味﹌ 2023-01-01 03:40 173阅读 0赞

# 一、计算机的基本组成 #

**冯·诺依曼计算机的特点（机器以运算器为中心）**

1. 计算机由控制器（分析和执行机器指令并控制各部件的协同工作）、运算器（根据控制信号对数据进行算术运算和逻辑运算）、存储器（内存存储中间结果，外存存储需要长期保存的信息）、输入设备（接收外界信息）和输出设备（向外界输送信息）五大部件组成  
2. 指令(程序)和数据以二进制不加区别地存储在存储器中  
3. 程序自动运行

**现代计算机由三大部分组成（已经转化为以存储器为中心）**

1. CPU(Central Processing Unit) 中央处理器，核心部件为ALU(Arithmetic Logic Unit,算术逻辑单元)和CU(Control Unit,控制单元)  
2. I/O设备(受CU控制)  
3. 主存储器(Main Memory,MM)，分为RAM(随机存储器)和ROM(只读存储器)  
//CPU与MM合成主机，I/O设备可称为外部设备

二、一条指令在CPU的执行过程

// 专业术语  
1. Ad(Address) 形式地址  
2. DR(Data Register) 数据寄存器  
3. AR(Address Register) 地址寄存器(MAR)  
4. IR(Instruction Register) 指令寄存器  
5. BR(Buffer Register) 缓冲寄存器(MBR)  
5. ID(Instruction Decoder) 指令译码器  
6. PC(ProgramCounter) 程序计数器

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过程详述：

几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：

> 取指令
> 
> 指令译码
> 
> 执行指令
> 
> 访存取数
> 
> 结果写回

1.   
    
        1.取指令阶段
            取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。
            程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+1àPC；若为双字长指令，则(PC)+2àPC，依此类推。
            //PC -> AR -> Memory
            //Memory -> IR
        2.指令译码阶段
            取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。
            在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。
            在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码来找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。
            //                        { 1.Ad
            //Memory -> IR -> ID ->   { 2.PC变化 
            //                        { 3.CU（Control Unit）
        3.访存取数阶段
            根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。
            此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。
            //Ad -> AR -> AD -> Memory
        4.执行指令阶段
            在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。
            此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。
            例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元ALU将被连接到一组输入和一组输出，输入端提供需要相加的数值，输出端将含有最后的运算结果。
            //Memory -> DR -> ALU 
        5.结果写回阶段
            作为最后一个阶段，结果写回（Writeback，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式：结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。
            //DR -> Memory
        6.循环阶段
            在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。
            //重复 1~5
            //遇hlt(holt on)停止

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