一文看懂計算機執行程序的過程

　　程序就是指令的集合，為使計算機按預定要求工作，首先要編制程序。程序是一個特定的指令序列，它告訴計算機要做哪些事，按什么步驟去做。指令是一組二進制信息的代碼，用來表示計算機所能完成的基本操作。

　　1、程序

　　程序是為求解某個特定問題而設計的指令序列。程序中的每條指令規定機器完成一組基本操作。如果把計算機完成一次任務的過程比作樂隊的一次演奏，那么控制器就好比是一位指揮，計算機的其它功能部件就好比是各種樂器與演員，而程序就好像是樂譜。計算機的工作過程就是執行程序的過程，或者說，控制器是根據程序的規定對計算機實施控制的。例如，對于算式

　　計算機的解題步驟可作如下安排：

　　步驟1：取a ；

　　步驟2：取b ；

　　步驟3：判斷 ；

　　若 b≥0，執行步驟4

　　若b＜0，執行步驟6

　　步驟4：執行a＋b；

　　步驟5：轉步驟7；

　　步驟6：執行a－b；

　　步驟7：結束。

　　計算機的工作過程可歸結為：取指令→分析指令→執行指令→再取下一條指令，直到程序結束的反復循環過程。通常把其中的一次循環稱為計算機的一個指令周期?？傊?，我們可把程序對計算機的控制歸結為每個指令周期中指令對計算機的控制。

　　2、指令

　　程序是由指令組成的。指令是機器所能識別的一組編制成特定格式的代碼串，它要求機器在一個規定的時間段（指令周期）內，完成一組特定的操作。指令的基本格式可歸結為操作碼OP和操作數地址AD兩部分，具體內容是：

　?、?指出計算機應完成的一組操作內容，如傳送（MOV）、加法（ADD）、減法（SUB）、輸出、停機（HLT）、條件轉移（JZ）等。這部分稱為指令的操作碼部分。

　?、?兩個操作數的地址和存放結果的地址及尋址方式。

　?、?為保證程序執行的連續性，在執行當前指令時，還需指出下一條指令的地址。由于指令在存儲器中一般是順序存放的，所以只要設置一個指令指針（IP），每執行一條指令，IP自動加1，便自動指出下一條指令的地址，而不必在指令中專門指出下一條指令的地址 。只有在轉移指令中才指出下一條指令的地址。此時，IP的內容將隨轉移指令所指示的內容改變。

　　3、指令的執行

　　指令規定的內容是通過控制器執行的，或者說控制器是按照一條指令的內容指揮操作的。

　?、?控制器的功能

　?、?定序功能——保證按程序規定的順序執行指令。

　?、?定時功能——計算機處理信息是通過信息在計算機的邏輯電路中的流通完成的。為保證計算機工作的準確性，控制器要為計算機 中的各部件提供統一節拍，使各條指令及組成每條指令的各基本操作（通常稱為微操作）都嚴格地按規定的時間有條不紊地自動執行。

　?、?操作控制功能——控制器應能按照指令規定的內容，在相應的節拍向有關部件發出操作控制信號。

　?、?控制器的組成

　　在控制器中，上述功能分別由指令部件、時序部件和操作控制部件來完成。它們的組成如圖1-8所示。

　?、?指令部件：指令部件的主要功能是取指令和分析指令。它由指令指針IP（也叫指令計數器IC或程序計數器PC）、指令寄存器IR、指令譯碼器、地址計算部件組成。其中：

　　●指令指針IP的功能是指出當前指令的地址。它有加1功能，通常每取一條指令后自動加1，以指出下條指令的地址。遇到特殊情況（如轉移）可通過地址計算部件形成下一條指令的地址。

　　●指令寄存器IR保存由存儲器取來的指令，并分別把操作碼OP和操作數地址AD送指令譯碼和地址計算部件。

　　●指令譯碼器也稱操作碼譯碼器。它按操作碼的內容向操作控制部件提供相應的操作電信號。

　　●地址計算部件的作用是對指令中地址碼進行（變址、間址等）運算，求出的操作數地址送存儲器以取出數據；或者把轉移指令中指出的下一條指令地址送IP。

　?、?時序部件：時序部件也叫節拍發生器，它能為各部件提供一個時間基準。時鐘頻率（如800MHz，1GHz，2 GHz，2.4 GHz，3 GHz…）越高，計算機的工作速度就越快。

　?、?操作控制部件：該部件的功能是根據指令譯碼器的規定內容，在規定的節拍內向有關部件發出操作控制信號。

　?、?指令的執行過程

　　通常，計算機執行一條指令的步驟如下：

　?、?把指令指針IP中的指令地址送存儲器，從該地址取出指令送指令寄存器IR；

　?、?地址計算部件，根據IR中的地址碼形成操作數地址送存儲器，從該地址取出數據，送到運算器中的寄存器（或寄存器組）；

　?、?將IR中的操作碼OP送指令譯碼器進行譯碼；

　?、?在控制器發出的操作信號的控制下，計算機各有關部件執行操作碼OP規定的操作；

　?、?指令指針IP加1，形成下一條指令地址。如遇到轉移指令，則按轉移指令對狀態標志寄存器測試的結果，決定是否將轉移指令中指出的指令地址送指令指針IP。