处理器指令执行原理简析

处理器指令执行原理简析

计算机系统基本构成

处理器：控制计算机的操作，执行数据的处理功能
内存：存储数据和程序。
输入和输出模块：麦克风、硬盘、其他终端设备。
系统总线：在处理器、内存和输入输出模块间提供通信的设施。

处理器内部基本构件

处理器通常的功能是与存储器做数据交互，为此它通常使用两个内部的寄存器。

存储器地址寄存器MAR：
用于确定下一次读写的存储器地址。
存储器缓冲寄存器MBR：
存放要写入存储器的数据或从存储器中读取的数据。
输入输出地址寄存器AR：
用于确定一个指定的的输入输出设备。
输入输出缓冲寄存器BR：
用于在输入输出模块和处理器间交换数据。
程序计数器PC：
程序计数器是用于存放下一条指令所在单元的地址的地方。当执行一条指令时，首先需要根据PC中存放的指令地址，将指令由内存取到指令寄存器中，此过程称为“取指令”。与此同时，PC中的地址或自动加1或由转移指针给出下一条指令的地址。此后经过分析指令，执行指令。完成第一条指令的执行，而后根据PC取出第二条指令的地址，如此循环，执行每一条指令。
指令寄存器IR：
是临时放置从内存里面取得的程序指令的寄存器，用于存放当前从主存储器读出的正在执行的一条指令。
累加器AC：
累加器(accumulator) 是一种寄存器，用来储存计算产生的中间结果。

指令的执行

处理器执行的程序是由一组保存在存储器中的指令组成的。最简单的指令包括两步：1.处理器从存储器中一次读取一条指令；2.执行指令。一个程序是由不断重复的取指令和执行指令组成的。
单个指令所需要的处理过程称作为一个指令周期。

一条指令是由操作码和地址码组成，以二进制的形式来表示。

举例分析

如图所示，存储器中有很多存储单元，每个单元包含地址码、操作码和数据，处理器包含PC,AC,IR，此图表示了地址为940的内容和941的内容相加，并将结果保存在941中，总过程分为三次取址，三次执行。

步骤如下：

1. PC中包含一条指令的地址为300，首先将这个地址送到MAR中，MAR是一个指针，这时它指向的地址是300，然后所指300的地址中的内容送到MBR中，MBR将内容递给IR，PC增1。
2. IR中的最初的4位，0001表示加载，剩下的12位940指向地址为940的内容，所以整个执行就是将940地址的内容加载到AC中。
3. 从地址301的存储单元中取下一条指令（5941），PC增1。
4. 将之前AC中的内容与现在941的内容相加，结果存储到AC中。
5. 从地址302的存储单元中取下一条指令（2941），PC增1。
6. AC中的结果存储到941中。