计算机组成原理-指令是如何被执行的

各个部件

• 运算器
  用于实现算术运算(加减乘除)、逻辑运算(与或非)
• 控制器
  用于控制程序执行的顺序
• 存储器
  用于存放数据

CPU = 运算器 + 控制器
主机 = CPU + 存储器(内存)
外设 = 输入设备 + 输出设备 + 辅助存储器(磁盘)

运算器

• ACC
• MQ
• X
• ALU

它们之间的关系以及运算器的逻辑图如图1所示。

图1 运算器内部构造

控制器

• IR(Instruction Register)：指令寄存器，作用是解析指令。
• PC(Program Counter)：程序计数器，作用是记录每条指令的地址，自增。
• CU(Control Unit)：控制单元，作用是执行指令。

主存储器(内存)

• MAR(Memory Address Register)：内存地址寄存器，保存数据被传输到的位置的地址或者数据来源位置的地址。
• MDR(Memory Data Register)：内存数据寄存器，保存要被写入地址单元或者从地址单元读出的数据。

高级语言到汇编语言

以一个具体的例子进行分析

// 省略头文件
int a=2,b=3,c=1,y=0;
void main()
{
	y=a*b+c;
}

发送给CPU的机器指令如图2所示。

图2 汇编程序

图2给出了高级语言转换之后的汇编语言，最左边一栏是地址，中间是指令(16位)，最后一栏是注释(方便解释使用，实际汇编语言中没有)。这里也可以看到指令的操作和数据是存放在一起的，0-4地址存储的是指令，5-8地址存储的是数据。
图3给出了所有的过程。

图3 汇编程序执行步骤

图中绿色的序号对应下面步骤的序号。

• 初始时，(PC)=0，程序计数器指向地址0，指向第一条指令的存储地址
• #1：(PC)–>MAR，导致(MAR)=0
• #2 #3：M(MAR)–>MDR，MAR去存储体中寻找地址为0的指令，并将指令的内容写入MDR中，导致(MDRR=000001 000000101
• #4 (MDR)–>IR，MDR将数据通过数据总线传输给IR，导致(IR)=000001 000000101
• #5 IR分析指令，发现指令的操作码OP(IR)=000001，并传输给CU，即OP(IR)–>CU，CU分析后得知"000001"是取数指令。
• #6 AD(IR)–>MAR，指令寄存器告诉MAR需要取出"000000101"地址的值，导致(MAR)=000000101
• #7#8 MAR去存储体中寻找，并将结果写入到MDR中，导致(MDR)=0000000000000010=2
• #9 (MDR)—>ACC，MDR将数据通过数据总线传输到ACC，导致ACC=2

以上步骤中，取指令(#1~#4)，分析指令(#5)，执行取数指令(#6~#9)

图4 PC加1后的操作