105-计算机执行指令的过程

执行指令是计算机过程的核心， 理解了指令如何执行呢，也就把握住了计算机运行原理的关键。 在这一节，我们就一起来看这个模型机是如何执行指令的。

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现在我们已经有了这样一个模型 而且我们也知道了计算机执行一条指令的主要步骤 包括取指、译码、执行、回写。那我们就在这个模型机上尝试执行一条计算机的指令。 这里给出了一个例子，我们想执行的这条指令是 ADD R0, [6]，这样的一个指令格式代表什么含义呢？ 从 add，我应该能看出来这是一条加法指令。 那么这个加法应该有两个原操作数， 其中一个就是通用寄存器 R0 的内容； 另一个[6]，中括号就代表是存储单元的内容。 那么，中括号里面带一个 6 说明是地址为 6 的存储单元的内容。 我们把这两个原操作数相加，就可以得到一个运算结果。 那么，在我们这种格式指令当中，默认第一个操作数即是原操作数又是目的操作数。 这个运算结果就会更新到通用寄存器 R0 中。

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现在我们就来看这条指令是如何在模型机上执行的。 假设模型机的当前状态已经有了一些初始值， 我们需要注意的是 CPU 中的 R0 所保存的值是 0000 0011，这等于 10 进制的 3。 而存储单元地址为 6 的存储单元的内容是 00000010， 相当于 10 进制的 2。 那么我们所要做的，就是把这个存储单元的数和 R0 当中的数相加，最后再放到 R0 中。 我们还看到 PC 寄存器也就是指向下一条指令地址的寄存器，保存的值是 0001，那么，他所指向的内层单元， 这里，所以这个内层单元中其实是保存了当前所需要执行的那条指令。 我就用 1010 1010 这么一个值来指代， 这仅仅是指代而已。

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那我们就来看在这个模型机上是如何运行的。 指令执行的第一步，取指。 取指这一步所要做的 是控制器将指令的地址送往存储器，存储器按给定的地址读出指令内容，送回控制器。

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那我们来看具体的操作步骤。 首先请注意 控制器会发出控制信号将 PC 寄存器中的内容通过内部总线传送到 MAR 中。 好，现在 MAR 寄存器中也保存了 0001。

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下一步，MAR 将会把这个地址送到地址总线上， 与此同时，控制电路 会在控制总线上发出相应的控制信号，代表这次访问存储器的操作是要读数据。

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这样存储器的 MAR 寄存器 就会收到地址总线上传送来的地址并把它保存下来。 存储器中的控制逻辑，也会受到控制总线中传送来的控制信号 得知这次仿真操作是一次读操作。

这样存储器通过地址译码器 就可以查找到对应地址 001 的存储单元的内容； 并将该存储单元的内容送到 MDR 寄存器中。

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然后存储器的控制逻辑，会通过控制总线将 CPU 反馈 当前的传输已经准备好了， 同时，MDR 之中的内容也会送数据总线上。

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随后，CPU 中的控制电路检测到来自控制总线的 准备好的 ready 信号，就知道当前数据总线上已经准备好了数据。 因此 MDR 寄存器就会将当前数据总线上传送来的数值保存下来， 这就获得了我们所要取的指令。当然，仅到如此是不够的。 MDR 中的内容还不需要传送到 指令寄存器中，也就是 IR 寄存器。

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当指令的编码已经保存到 IR 寄存器中时，取指这部分工作就已经完成了。 真的已经完成了吗？请再仔细想一想。 其实我们还需要再做一件事， 就是把 PC 寄存器 更新为下一条指令所需要访问的地址。 刚才是 0001，现在变成 0010, 也就是 10 进制的 2 。更新完以后我们才可以做下一步的工作。 那么，取指阶段到此正式完成。

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第二部是译码。 在一步控制器会分析指令的操作性质 ，并向相关的部件发出指令所需的控制信号。 当前的指令计算器 IR 中 指令编码会送到指令译码部件。

指令译码部件根据指令编码， 很快会发现这是一条加法指令。 而且，是要把 R0 和存储器中地址为 6 的单元的内容相加，并把结果存放到 R0 中。 然後，控制电路就据此产生对应的控制信号，发到相关部件中。译码阶段就到此完成了。

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第三步是执行。 控制器会从通用寄存器或者存储器中取出操作数， 并命令运算器对操作数进行指令规定的运算。 首先， 根据这条指令我们会发现，还是需要去取操作数， 其中一个操作数在存储器里中。因此， 这一步 会在 MAR 中放置要访问的存储器的地址，0110。 就是 10 进制的 6 。那么，随后的过程类似于取指阶段的操作。 MAR 将地址发到地址总线， 同时，控制电路在控制总线发出读操作的控制信号。 存储器的 MAR 控制逻辑会接收到相应的信号， 然后查找到对应的地址，这次要查找的地址是 0110，对应的内容会送到 MDR 这个存储器。 然後，控制逻辑会向 CPU 反馈当前数据已经准备好了的信号。 然後，MDR 的内容也会被放置到数据总线上， CPU 会接收数据并保存在 MDR 寄存器中。

由于这个数据要进行加法运算， 所以控制器会进一步将 MDR 中的数据传送到 ALU 的输入，目前会暂存到 Y 寄存器中。

这一个操作数现在就准备好了， 那么另一个操作数是放在 R0 中； 因此，控制器还会将 R0 中的数据 传送到 ALU 的另一个输入端，也就是 x 寄存器。

现在，两个操作数都准备好了， 在控制电路的控制下 ALU 就会进行运算 再将 x、Y 中的内容执行加法并计算出结果。 结果就是 00000101 也就是 10 进制的 5。 到此，执行阶段就完成了。

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第四步是回写。 也就是将运算结果写入到通用寄存器或者储存器。 现在， 运算结果还在 ALU 的输出端，也就是 Z 寄存器中， 控制电路会给出相应的控制信号将 Z 寄存器当中的内容传送到 R0 中。 R0 目前的内容是之前的原操作数， 也就是 0000 0011。随后， 会被新的结果所覆盖。 这样，我们这个加法运算的结果就已经保存到了 R0 寄存器中， 回写阶段到此完成。这条指令你就执行完毕了。 然後，CPU 就会自动执行下一条指令。 它们是和 刚才一样，先将 PC 中的内容传送到 MAR 寄存器当中， 然後 MAR 会将这个地址传送到地址总线上 依次的执行下一条指令。

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现在，我们通过学习计算机是如何执行指令的， 并掌握了弗洛伊曼结构的核心内容。 但是，人们是如何向计算机下达指令的呢？ 计算机的运行结果又是如何让外界得知？ 这是我们下一节将关注的内容。