程序是如何执行的（一）a=a+1

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一、概述

1、计算机中有两个主要的核心部件：CPU和内存，其中CPU负责运算而内存负责存储程序和相关的变量，每一条程序语句和变量都在内存中有对应的内存地址。

2、寄存器是CPU的存储单元，每一个CPU都会有通用寄存器来给程序使用，编号R1~R32，代表有32个通用寄存器。

3、CPU中的核心部件

（1）程序计数器PC(Program Counter)

　　程序计数器是一个特殊的寄存器部件，程序执行时，PC始终指向内存中的某条指令语句（即该条语句的内存地址），然后CPU就是读取（PC）所指向的那条指令执行。

　　在顺序执行程序语句时，PC通过顺序加1(32位CPU一个指令占4字节，64位8字节)自动指向下一条要执行的程序语句。但是对于一些控制结构语句如if else for while这时PC的值就不是顺序加1指向下一条语句了。

（2）指令寄存器IR(Instruction Register)

　　指令寄存器也是一个特殊的寄存器，用来存放从内存中读取的指令。CPU从内存中读取指令到IR之后，由特定部件来解读这条指令，并执行相关的操作。

（3）算术逻辑单元ALU(arithmetic logic unit)

　　ALU是处理器中进行真实运算的部件，执行指令时，CPU把寄存器中的值输入到ALU中，ALU做完运算后把结果存回寄存器

二、a=a+1

1、

对于a=a+1这条程序语句需要分解为三步，1、把变量a读取到某一个寄存器R存储，2、CPU对寄存器R的值进行计算，3、计算完成后将值存回内存

分解“a=a+1”的执行步骤：

第一步，CPU从地址300处读取第一条语句，CPU执行“读取a到R"语句，就会从地址1000出将a的值读到寄存器R中。

第二步，CPU从地址301处读取第二条语句，执行"R+1"语句，CPU会对R执行加1的操作

第三步，CPU从地址302出读取第三条语句，执行"将R存回a"语句，把寄存器R中变量a的值存回到内存中地址1000处。

2、汇编指令的概念

汇编指令由操作码和操作数组成，操作码是指令执行的基本动作，在load R1,(address)中，load是操作码，其后的寄存器R1和(address)都是操作数

　　（1）"读取a到R"操作-load指令：

　　load执行用来表示"CPU将内存中的a读取到寄存器R中"的操作。load指令需要有两个操作数。格式:load R1,(address),address是内存地址，(address)表示这个地址内存的值。例load R1,(1000)表示将地址1000处的变量值读取到寄存器R1中。

　　（2）"R赋值"操作-mov指令：

　　格式：mov R1，constant        mov用来将一个数赋给寄存器,mov指令有两个操作数前一个是寄存器，后一个是十六进制常数。例mov R1，0Ah表示将0Ah（十进制10）赋给寄存器R1。mov R2,R1表示将寄存器R1的值赋值给R2。

　　（3）"R加1"操作-add指令

　　格式：add R2,R1,constant    表示将R2=R1+constant。例add R2,R1,01h表示将寄存器R1中的值加1后将结果存到R2。例add R1,R1,R2表示将R1与R2的值相加将和存回R1。

　　（4）减法指令-sub

　　格式:sub R2,R1,constant  表示R2=R1-constant。例sub R3,R1,R2表示R3=R1-R2

　　（5）左移位指令shiftl

　　格式shiftl R2,R1,constant  表示R1寄存器的值左移constant位然后将值存入R2，左移一位就相当于乘以2，左移两位就相当与乘以4。例：

shiftl R2,R1,05h表示R2 = R1 * 2的5次方

　　（6）右移位指令shiftr

　　（7）"将R存回a"操作-store指令

　　格式:store (address),R1     程序语句中的存回表示将寄存器R中的值存回到内存中。address是内存地址，(address)是要存回的值，R1是寄存器。例:store (500),R1表示将寄存器R1中的值存入到内存地址500处

 

3、a=a+1的完整执行过程

首先用汇编指令表示一下这个过程（a = 10;a = a + 1）:

mov R1,0Ah
store (1000),R1
load R1,(1000)
add R1,R1,01h
store (1000),R1

具体执行过程：

（1）CPU从地址301处开始执行，PC的值为301，CPU从地址301处读取mov指令到IR，解读并执行mov指令，给寄存器R1中的变量赋初值10，然后PC加1，指向下一条汇编指令

（2）PC值为302，CPU从地址302处读取store指令到IR，解读并执行store指令，将寄存器R1中的变量a的值存到内存地址1000处，然后PC加1指向下一条汇编指令。

（3）PC的值为304，CPU从地址304处读取add指令到IR，解读并执行add指令，将寄存器R1中变量a的值加1，并将结果再存回寄存器R1，然后PC加1，指向下一条汇编指令。

 

本文参考书籍：《计算机科学导论:以Python为舟》