一文看懂计算机执行程序的过程

　　程序就是指令的集合，为使计算机按预定要求工作，首先要编制程序。程序是一个特定的指令序列，它告诉计算机要做哪些事，按什么步骤去做。指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机所能完成的基本操作。

　　1、程序

　　程序是为求解某个特定问题而设计的指令序列。程序中的每条指令规定机器完成一组基本操作。如果把计算机完成一次任务的过程比作乐队的一次演奏，那么控制器就好比是一位指挥，计算机的其它功能部件就好比是各种乐器与演员，而程序就好像是乐谱。计算机的工作过程就是执行程序的过程，或者说，控制器是根据程序的规定对计算机实施控制的。例如，对于算式

　　

　　计算机的解题步骤可作如下安排：

　　步骤1：取a ；

　　步骤2：取b ；

　　步骤3：判断 ；

　　若 b≥0，执行步骤4

　　若b＜0，执行步骤6

　　步骤4：执行a＋b；

　　步骤5：转步骤7；

　　步骤6：执行a－b；

　　步骤7：结束。

　　计算机的工作过程可归结为：取指令→分析指令→执行指令→再取下一条指令，直到程序结束的反复循环过程。通常把其中的一次循环称为计算机的一个指令周期。总之，我们可把程序对计算机的控制归结为每个指令周期中指令对计算机的控制。

　　2、指令

　　程序是由指令组成的。指令是机器所能识别的一组编制成特定格式的代码串，它要求机器在一个规定的时间段（指令周期）内，完成一组特定的操作。指令的基本格式可归结为操作码OP和操作数地址AD两部分，具体内容是：

　　⑴ 指出计算机应完成的一组操作内容，如传送（MOV）、加法（ADD）、减法（SUB）、输出、停机（HLT）、条件转移（JZ）等。这部分称为指令的操作码部分。

　　⑵ 两个操作数的地址和存放结果的地址及寻址方式。

　　⑶ 为保证程序执行的连续性，在执行当前指令时，还需指出下一条指令的地址。由于指令在存储器中一般是顺序存放的，所以只要设置一个指令指针（IP），每执行一条指令，IP自动加1，便自动指出下一条指令的地址，而不必在指令中专门指出下一条指令的地址 。只有在转移指令中才指出下一条指令的地址。此时，IP的内容将随转移指令所指示的内容改变。

　　3、指令的执行

　　指令规定的内容是通过控制器执行的，或者说控制器是按照一条指令的内容指挥操作的。

　　⑴ 控制器的功能

　　① 定序功能——保证按程序规定的顺序执行指令。

　　② 定时功能——计算机处理信息是通过信息在计算机的逻辑电路中的流通完成的。为保证计算机工作的准确性，控制器要为计算机 中的各部件提供统一节拍，使各条指令及组成每条指令的各基本操作（通常称为微操作）都严格地按规定的时间有条不紊地自动执行。

　　③ 操作控制功能——控制器应能按照指令规定的内容，在相应的节拍向有关部件发出操作控制信号。

　　⑵ 控制器的组成

　　在控制器中，上述功能分别由指令部件、时序部件和操作控制部件来完成。它们的组成如图1-8所示。

　　

　　① 指令部件：指令部件的主要功能是取指令和分析指令。它由指令指针IP（也叫指令计数器IC或程序计数器PC）、指令寄存器IR、指令译码器、地址计算部件组成。其中：

　　●指令指针IP的功能是指出当前指令的地址。它有加1功能，通常每取一条指令后自动加1，以指出下条指令的地址。遇到特殊情况（如转移）可通过地址计算部件形成下一条指令的地址。

　　●指令寄存器IR保存由存储器取来的指令，并分别把操作码OP和操作数地址AD送指令译码和地址计算部件。

　　●指令译码器也称操作码译码器。它按操作码的内容向操作控制部件提供相应的操作电信号。

　　●地址计算部件的作用是对指令中地址码进行（变址、间址等）运算，求出的操作数地址送存储器以取出数据；或者把转移指令中指出的下一条指令地址送IP。

　　② 时序部件：时序部件也叫节拍发生器，它能为各部件提供一个时间基准。时钟频率（如800MHz，1GHz，2 GHz，2.4 GHz，3 GHz…）越高，计算机的工作速度就越快。

　　③ 操作控制部件：该部件的功能是根据指令译码器的规定内容，在规定的节拍内向有关部件发出操作控制信号。

　　⑶ 指令的执行过程

　　通常，计算机执行一条指令的步骤如下：

　　① 把指令指针IP中的指令地址送存储器，从该地址取出指令送指令寄存器IR；

　　② 地址计算部件，根据IR中的地址码形成操作数地址送存储器，从该地址取出数据，送到运算器中的寄存器（或寄存器组）；

　　③ 将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码；

　　④ 在控制器发出的操作信号的控制下，计算机各有关部件执行操作码OP规定的操作；

　　⑤ 指令指针IP加1，形成下一条指令地址。如遇到转移指令，则按转移指令对状态标志寄存器测试的结果，决定是否将转移指令中指出的指令地址送指令指针IP。