计算机执行一条程序的过程

基础知识:

       1)微处理器(Microprocessor,μP,)作为微型计算机(微机,Microcomputer,μC)的中央处理器(CPU)有运算器、控制器、若干寄存器组成。

       2)系统总线(外部总线):是CPU与内存、I/O进行数据交换的通道,包括AB、DB、CB。

       3)1CPU周期=1机器周期=12振荡周期

运算器:图中红色部分,由ALU(算数逻辑单元)、累加器、寄存器组成。ALU就是做加法/减法的地方,它的操作数来自数据寄存器和累加器,运算得到的结果放在累加器;累加器的作用就是把操作数送给ALU、保存数据ALU计算的结果。总的来说,运算器的功能是执行算术运算、逻辑运算。

控制器:由程序计数器(PC)、指令寄存器、指令译码器等。其功能有:

1)从内存中取出指令,并由PC指出下一条指令在内存的位置

2)对把指令送到指令译码器进行译码,产生相应控制信号,以便执行规定的动作

3)指挥并控制CPU、内存、I/O设备的之间的数据流动

几个重要寄存器:

累加器(A)

数据寄存器(DR):所有从内存或I/O设备读/写的数据都要先暂存于此,可暂存指令或数据。

程序计数器(PC):又称指令地址计数器,每次执行指令时,它都会自加1,以指出下一条指令的位置。

地址寄存器(AR):用于保持CPU要访问的内存或I/O的地址。因为内存、I/O与CPU的速度差距太大,故需要AR暂存地址。假设没有这个寄存器,CPU正在读内存或I/O中的数据,它俩速度太慢,数据还没读完,又来了个新地址指向内存或I/O,则会把前面没读完的数据丢失。

指令寄存器(IR)、指令译码器(ID):当从内存读取的是指令时,通过数据总线送到DR,然后再送到IR,ID再进行译码,译码后才知道要发出什么具体的的控制信号。

计算机执行一条程序的过程:

假设现在要执行“7+10”,指令如下:

第一步:先看图

假设程序的初始地址是00010000,则计算机上电后,PC就指向00010000。PC把00010000送给地址寄存器,地址寄存器通过地址总线指向了内存的00010000单元,内存把00010000中的内容10010110送到数据寄存器,因为这个内容是指令,所以又送到指令寄存器、指令译码器,经过译码后,计算机就知道了这个命令是LDA,要装数到累加器,这一步花费了一个机器周期。这时PC已经加1了。

第二步:先看图

上面说到PC加1了,于是PC里的数据变为00010001,把00010001送给地址寄存器,地址寄存器通过数据总线指向了内存的00010001单元,找到了其中的数据00010111(23),送到地址译码器。这里花费了一个机器周期。PC又加1,准备好执行ADD 24。

第三步:先看图

因为是直接寻址,找到了操作数00010111(23)后,又把它当作地址,指向了内存的00010111位置,取出了其中的数据00000111(7),再通过数据总线传到数据寄存器,数据寄存器又把00000111传到累加器A。这里又花费了一个机器周期。至此,计算机完成了LDA 23。


再看看执行指令LDA 23 的机器周期是怎样的:

总结来说就是:

第一个机器周期完成取操作码、译操作码

第二个机器周期完成把操作数地址送到译码器

第三个机器周期完成把操作数地址指定的数据送给数据寄存器

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