cpu執(zhí)行指令的過程詳解

cpu執(zhí)行指令的過程詳解

計(jì)算機(jī)每執(zhí)行一條指令都可分為三個(gè)階段進(jìn)行。即取指令-----分析指令-----執(zhí)行指令。

取指令的任務(wù)是：根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC中的值從程序存儲(chǔ)器讀出現(xiàn)行指令，送到指令寄存器。

分析指令階段的任務(wù)是：將指令寄存器中的指令操作碼取出后進(jìn)行譯碼，分析其指令性質(zhì)。如指令要求操作數(shù)，則尋找操作數(shù)地址。

計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過程實(shí)際上就是逐條指令地重復(fù)上述操作過程，直至遇到停機(jī)指令可循環(huán)等待指令。

一般計(jì)算機(jī)進(jìn)行工作時(shí)，首先要通過外部設(shè)備把程序和數(shù)據(jù)通過輸入接口電路和數(shù)據(jù)總線送入到存儲(chǔ)器，然后逐條取出執(zhí)行。但單片機(jī)中的程序一般事先我們都已通過寫入器固化在片內(nèi)或片外程序存儲(chǔ)器中。因而一開機(jī)即可執(zhí)行指令。

CPU指令執(zhí)行流程圖

下面我們將舉個(gè)實(shí)例來說明指令的執(zhí)行過程：

開機(jī)時(shí)，程序計(jì)算器PC變?yōu)?000H。然后單片機(jī)在時(shí)序電路作用下自動(dòng)進(jìn)入執(zhí)行程序過程。執(zhí)行過程實(shí)際上就是取出指令（取出存儲(chǔ)器中事先存放的指令階段）和執(zhí)行指令（分析和執(zhí)行指令）的循環(huán)過程。

例如執(zhí)行指令：MOV A，#0E0H，其機(jī)器碼為“74H E0H”，該指令的功能是把操作數(shù)E0H送入累加器，

0000H單元中已存放74H，0001H單元中已存放E0H。當(dāng)單片機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，首先是進(jìn)入取指階段，其次序是：

1、程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容（這時(shí)是0000H）送到地址寄存器；

2、程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容自動(dòng)加1（變?yōu)?001H）；

3、地址寄存器的內(nèi)容（0000H）通過內(nèi)部地址總線送到存儲(chǔ)器，以存儲(chǔ)器中地址譯碼電跟，使地址為0000H的單元被選中；

4、CPU使讀控制線有效；

5、在讀命令控制下被選中存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容（此時(shí)應(yīng)為74H）送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上，因?yàn)槭侨≈鸽A段，所以該內(nèi)容通過數(shù)據(jù)總線被送到指令寄存器。至此，取指階段完成，進(jìn)入譯碼分析和執(zhí)行指令階段。

由于本次進(jìn)入指令寄存器中的內(nèi)容是74H（操作碼），以譯碼器譯碼后單片機(jī)就會(huì)知道該指令是要將一個(gè)數(shù)送到A累加器，而該數(shù)是在這個(gè)代碼的下一個(gè)存儲(chǔ)單元。所以，執(zhí)行該指令還必須把數(shù)據(jù)（E0H）從存儲(chǔ)器中取出送到CPU，即還要在存儲(chǔ)器中取第二個(gè)字節(jié)。其過程與取指階段很相似，只是此時(shí)PC已為0001H。指令譯碼器結(jié)合時(shí)序部件，產(chǎn)生74H操作碼的微操作系列，使數(shù)字E0H從0001H單元取出。因?yàn)橹噶钍且蟀讶〉玫臄?shù)送到A累加器，所以取出的數(shù)字經(jīng)內(nèi)部數(shù)據(jù)總線進(jìn)入A累加器，而不是進(jìn)入指令寄存器。至此，一條指令的執(zhí)行完畢。單片機(jī)中PC=“0002H”，PC在CPU每次向存儲(chǔ)器取指或取數(shù)時(shí)自動(dòng)加1，單片機(jī)又進(jìn)入下一取指階段。這一過程一直重復(fù)下去，直至收到暫停指令或循環(huán)等待指令暫停。CPU就是這樣一條一條地執(zhí)行指令，完成所有規(guī)定。

cpu執(zhí)行指令步驟詳解

1、第一步我們首先看一下cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要包括寄存器，控制器，ALU算數(shù)邏輯運(yùn)算單元，控制器里面又含有操作控制器，計(jì)數(shù)器，寄存器等，如下圖所示：

2、第二步我們了解了cpu的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之后，就比較容易理解cpu是如何執(zhí)行指令的，cpu執(zhí)行指令主要分為5個(gè)階段，從取指令，導(dǎo)進(jìn)行指令譯碼，執(zhí)行指令，訪問主存，最后回寫結(jié)果，具體cpu執(zhí)行過程如下圖所示：

3、第三步我們首先來看cpu執(zhí)行指令的一、二階段，cpu是怎么取指令和進(jìn)行指令譯碼，將指令先從主存里面取出，然后放到寄存器，最后進(jìn)行指令譯碼，這樣就完成cpu執(zhí)行指令的一、二階段，具體如下圖所示：

4、第四步cpu執(zhí)行指令的三、四階段，首先根據(jù)指令規(guī)定的操作，完成具體功能，最后訪問主存，操作數(shù)，得到物理地址，就完成了執(zhí)行指令和訪問主存的三、四階段，如下圖所示：

5、第五步在cpu第四階段訪問主存的時(shí)候，需要得到物理地址，具體讀寫過程如下圖所示：

6、第六步我們也可以看一下cpu是怎么讀指令的，下面是cpu的工作原理，如下圖所示：

7、第七步cpu執(zhí)行指令進(jìn)去到了第五個(gè)階段，也是最后一個(gè)階段回寫結(jié)果，把第三階段執(zhí)行指令的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)回寫到一種存儲(chǔ)形式，cpu這樣就成功執(zhí)行完了一條指令，如下圖所示