简述CPU执行一条指令的过程

Posted 2023-05-02

几乎所有的冯·诺伊曼型计算机的CPU，其工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

1．取指令阶段

取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。

程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+1àPC；若为双字长指令，则(PC)+2àPC，依此类推。

2．指令译码阶段

取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。

在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。

在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码来找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。

3．执行指令阶段

在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。

此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

4．访存取数阶段

根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。

此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。

5．结果写回阶段

作为最后一个阶段，结果写回（Write Back，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式：

结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；

在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

扩展资料：

指令的执行过程例子：

开机时，程序计算器PC变为0000H。然后单片机在时序电路作用下自动进入执行程序过程。执行过程实际上就是取出指令（取出存储器中事先存放的指令阶段）和执行指令（分析和执行指令）的循环过程。

例如执行指令：MOV A,#0E0H，其机器码为“74H E0H”，该指令的功能是把操作数E0H送入累加器。

0000H单元中已存放74H，0001H单元中已存放E0H。当单片机开始运行时，首先是进入取指阶段，其次序是：

1. 程序计数器的内容（这时是0000H）送到地址寄存器；

2.程序计数器的内容自动加1（变为0001H）；

3.地址寄存器的内容（0000H）通过内部地址总线送到存储器，以存储器中地址译码电跟，使地址为0000H的单元被选中；

4.CPU使读控制线有效；

5.在读命令控制下被选中存储器单元的内容（此时应为74H）送到内部数据总线上，因为是取指阶段，所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。至此，取指阶段完成，进入译码分析和执行指令阶段。

由于本次进入指令寄存器中的内容是74H（操作码），以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到A累加器，而该数是在这个代码的下一个存储单元。

所以，执行该指令还必须把数据（E0H）从存储器中取出送到CPU，即还要在存储器中取第二个字节。其过程与取指阶段很相似，只是此时PC已为0001H。指令译码器结合时序部件，产生74H操作码的微操作系列，使数字E0H从0001H单元取出。

因为指令是要求把取得的数送到A累加器，所以取出的数字经内部数据总线进入A累加器，而不是进入指令寄存器。至此，一条指令的执行完毕。单片机中PC="0002H"，PC在CPU每次向存储器取指或取数时自动加1，单片机又进入下一取指阶段。

这一过程一直重复下去，直至收到暂停指令或循环等待指令暂停。CPU就是这样一条一条地执行指令，完成所有规定。

参考资料：CPU-百度百科

参考技术A

中央处理器（CPU）工作都可以分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

1、取指令阶段，取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。

2．指令译码阶段，取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。

3、执行指令阶段，在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

4、访存取数阶段，根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。

5、结果写回阶段，结果写回（Writeback，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式：结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取。在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

扩展资料

最早的计算机器仅内含固定用途的程序。现代的某些计算机依然维持这样的设计方式，通常是为了简化或教育目的。例如一个计算器仅有固定的数学计算程序，它不能拿来当作文书处理软件，更不能拿来玩游戏。若想要改变此机器的程序，你必须更改线路、更改结构甚至重新设计此机器。当然最早的计算机并没有设计成那种可编程化。当时所谓的“重写程序”很可能指的是纸笔设计程序步骤，接着制订工程细节，再施工将机器的电路配线或结构改变。

而储存程序型电脑的概念改变了这一切。借由创造一组指令集结构，并将所谓的运算转化成一串程序指令的执行细节，让此机器更有弹性。接着将指令当成一种特别型态的静态资料，一台储存程序型电脑可轻易改变其程序，并在程控下改变其运算内容。

参考资料：百度百科-普林斯顿结构

参考技术B

CPU执行一条指令分为5个阶段：取指令、指令译码、执行指令、访存取数、结果写回。

1．取指令阶段

取指令（Instruction Fetch，IF）阶段是将一条指令从主存中取到指令寄存器的过程。

程序计数器PC中的数值，用来指示当前指令在主存中的位置。当一条指令被取出后，PC中的数值将根据指令字长度而自动递增：若为单字长指令，则(PC)+1àPC；若为双字长指令，则(PC)+2àPC，依此类推。

 2．指令译码阶段 

取出指令后，计算机立即进入指令译码（Instruction Decode，ID）阶段。

在指令译码阶段，指令译码器按照预定的指令格式，对取回的指令进行拆分和解释，识别区分出不同的指令类别以及各种获取操作数的方法。

在组合逻辑控制的计算机中，指令译码器对不同的指令操作码产生不同的控制电位，以形成不同的微操作序列；在微程序控制的计算机中，指令译码器用指令操作码来找到执行该指令的微程序的入口，并从此入口开始执行。

在传统的设计里，CPU中负责指令译码的部分是无法改变的。不过，在众多运用微程序控制技术的新型CPU中，微程序有时是可重写的，可以通过修改成品CPU来改变CPU的译码方式。 

 3．执行指令阶段 

在取指令和指令译码阶段之后，接着进入执行指令（Execute，EX）阶段。

此阶段的任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。为此，CPU的不同部分被连接起来，以执行所需的操作。

例如，如果要求完成一个加法运算，算术逻辑单元ALU将被连接到一组输入和一组输出，输入端提供需要相加的数值，输出端将含有最后的运算结果。

 4．访存取数阶段

根据指令需要，有可能要访问主存，读取操作数，这样就进入了访存取数（Memory，MEM）阶段。

此阶段的任务是：根据指令地址码，得到操作数在主存中的地址，并从主存中读取该操作数用于运算。 

 5．结果写回阶段

作为最后一个阶段，结果写回（Writeback，WB）阶段把执行指令阶段的运行结果数据“写回”到某种存储形式：结果数据经常被写到CPU的内部寄存器中，以便被后续的指令快速地存取；在有些情况下，结果数据也可被写入相对较慢、但较廉价且容量较大的主存。

许多指令还会改变程序状态字寄存器中标志位的状态，这些标志位标识着不同的操作结果，可被用来影响程序的动作。

在指令执行完毕、结果数据写回之后，若无意外事件（如结果溢出等）发生，计算机就接着从程序计数器PC中取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。

许多新型CPU可以同时取出、译码和执行多条指令，体现并行处理的特性。 

扩展资料：

指令告诉计算机从事某一特殊运算的代码。

计算机程序发给计算机处理器的命令就是“指令（instruction）”。最低级的指令是一串0和1，表示一项实体作业操作要运行（如“Add”）。根据指令类型，某个具体的存储领域被称作“寄存器（register）”，里面包含了可用于调出指令的数据或数据存储位置。

计算机的汇编语言（assembler）中，每种语言一般只响应单一的处理器指令。而高级语言的每种语言经过程序编辑后能响应多个处理器指令。

在汇编语言中，宏指令（macro instruction）在汇编程序处理过程中会扩展为多个指令（以编码过的源宏定义为基础）。

参考资料：一条指令在cpu中的执行流程（理解CPU组成）---csdn

参考技术C 计算机每执行一条指令都可分为三个阶段进行。即取指令-----分析指令-----执行指令。

取指令的任务是：根据程序计数器PC中的值从程序存储器读出现行指令，送到指令寄存器。

分析指令阶段的任务是：将指令寄存器中的指令操作码取出后进行译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。
计算机执行程序的过程实际上就是逐条指令地重复上述操作过程，直至遇到停机指令可循环等待指令。

一般计算机进行工作时，首先要通过外部设备把程序和数据通过输入接口电路和数据总线送入到存储器，然后逐条取出执行。但单片机中的程序一般事先我们都已通过写入器固化在片内或片外程序存储器中。因而一开机即可执行指令。

下面我们将举个实例来说明指令的执行过程：

开机时，程序计算器PC变为0000H。然后单片机在时序电路作用下自动进入执行程序过程。执行过程实际上就是取出指令（取出存储器中事先存放的指令阶段）和执行指令（分析和执行指令）的循环过程。

例如执行指令：MOV A,#0E0H，其机器码为“74H E0H”，该指令的功能是把操作数E0H送入累加器，

0000H单元中已存放74H，0001H单元中已存放E0H。当单片机开始运行时，首先是进入取指阶段，其次序是：
1 程序计数器的内容（这时是0000H）送到地址寄存器；

2 程序计数器的内容自动加1（变为0001H）；

3 地址寄存器的内容（0000H）通过内部地址总线送到存储器，以存储器中地址译码电跟，使地址为0000H的单元被选中；

4 CPU使读控制线有效；

5 在读命令控制下被选中存储器单元的内容（此时应为74H）送到内部数据总线上，因为是取指阶段，所以该内容通过数据总线被送到指令寄存器。至此，取指阶段完成，进入译码分析和执行指令阶段。
由于本次进入指令寄存器中的内容是74H（操作码），以译码器译码后单片机就会知道该指令是要将一个数送到A累加器，而该数是在这个代码的下一个存储单元。所以，执行该指令还必须把数据（E0H）从存储器中取出送到CPU，即还要在存储器中取第二个字节。其过程与取指阶段很相似，只是此时PC已为0001H。指令译码器结合时序部件，产生74H操作码的微操作系列，使数字E0H从0001H单元取出。因为指令是要求把取得的数送到A累加器，所以取出的数字经内部数据总线进入A累加器，而不是进入指令寄存器。至此，一条指令的执行完毕。单片机中PC="0002H"，PC在CPU每次向存储器取指或取数时自动加1，单片机又进入下一取指阶段。这一过程一直重复下去，直至收到暂停指令或循环等待指令暂停。CPU就是这样一条一条地执行指令，完成所有规定本回答被提问者采纳 参考技术D 关键一点，cpu的每条指令在设计CPU前，都是预先编码的， 比如MOV ,你可以编码成1100H或1200H，反正随你喜欢，但是随后必须严格按照这个编码来设计实际逻辑控制电路，使其务必完成后续操作，一般用VHDL语言设计好，再在FPGA开发仿真板上验证正确通过。比如 RISC指令集，其每条指令编码和具体执行逻辑控制电路已经固定，而且公开透明，也就是所谓的开源，可以在其上设计自己的CPU。

简述CPU的工作原理

简单介绍CPU的工作原理

1.内部架构

CPU是由晶体管组成，其根本任务就是执行指令和数据处理，对计算机来说，就是由0和1组成的序列。CPU从逻辑上可分为3个模块，分别是控制单元，运算单元和存储单元。其内部架构如下：

CPU的工作原理就像一个工厂对产品的加工过程:进入工厂的原料(程序指令)，经过物资分配部门(控制单元)的调度分配，被送往生产线(逻辑运算单元)，生产出成品(处理后的数据)后，再存储在仓库(存储单元)中，最后等着拿到市场上去卖(交由应用程序使用)。在这个过程中，我们注意到从控制单元开始，CPU就开始了正式的工作，中间的过程是通过逻辑运算单元来进行运算处理，交到存储单元代表工作的结束。

2. 数据与指令在CPU中的运行

现在，我们来看看数据是怎样在CPU中运行的。我们知道，数据从输入设备流经内存，等待CPU的处理，这些将要处理的信息是按字节存储的，也就是以8位二进制数或8比特为1个单元存储，这些信息可以是数据或指令。数据可以是二进制表示的字符、数字或颜色等等。而指令告诉CPU对数据执行哪些操作，比如完成加法、减法或移位运算。

我们假设在内存中的数据是最简单的原始数据。首先，指令指针(Instruction Pointer)会通知CPU，将要执行的指令放置在内存中的存储位置。因为内存中的每个存储单元都有编号(称为地址)，可以根据这些地址把数据取出，通过地址总线送到控制单元中，指令译码器从指令寄存器IR中拿来指令，翻译成CPU可以执行的形式，然后决定完成该指令需要哪些必要的操作，它将告诉算术逻辑单元(ALU)什么时候计算，告诉指令读取器什么时候获取数值，告诉指令译码器什么时候翻译指令等等。

假如数据被送往算术逻辑单元，数据将会执行指令中规定的算术运算和其他各种运算。当数据处理完毕后，将回到寄存器中，通过不同的指令将数据继续运行或者通过DB总线送到数据缓存器中。

基本上，CPU就是这样去执行读出数据、处理数据和往内存写数据3项基本工作。但在通常情况下，一条指令可以包含按明确顺序执行的许多操作，CPU的工作就是执行这些指令，完成一条指令后，CPU的控制单元又将告诉指令读取器从内存中读取下一条指令来执行。这个过程不断快速地重复，快速地执行一条又一条指令，产生你在显示器上所看到的结果。我们很容易想到，在处理这么多指令和数据的同时，由于数据转移时差和CPU处理时差，肯定会出现混乱处理的情况。为了保证每个操作准时发生，CPU需要一个时钟，时钟控制着CPU所执行的每一个动作。时钟就像一个节拍器，它不停地发出脉冲，决定CPU的步调和处理时间，这就是我们所熟悉的CPU的标称速度，也称为主频。主频数值越高，表明CPU的工作速度越快。

 OK，总结一下，CPU的运行原理就是：控制单元在时序脉冲的作用下，将指令计数器里所指向的指令地址(这个地址是在内存里的)送到地址总线上去，然后CPU将这个地址里的指令读到指令寄存器进行译码。对于执行指令过程中所需要用到的数据，会将数据地址也送到地址总线，然后CPU把数据读到CPU的内部存储单元(就是内部寄存器)暂存起来，最后命令运算单元对数据进行处理加工。周而复始，一直这样执行下去，天荒地老，海枯枝烂，直到停电。

3.CPU 字长

CPU在单位时间内(同一时间)能一次处理的二进制数的位数叫字长。所以，能处理字长为 8 位数据的 CPU 通常就叫 8 位的 CPU。同理，32 位CPU 能在单位时间内处理字长为 32 位的二进制数据 。

常见的 32位 CPU 和 64位 CPU 主要存在以下两个差异：

【1】处理能力不同

32 位 CPU 的一个指令，最大能处理 32 位二进制数据，即一次能处理 4 个字节数据。
64 位 CPU 的一个指令，最大能处理 64 位二进制数据，即一次能处理 8 个字节数据。

【2】寻址空间不同

32 位 CPU 的寻址范围是 32 位的二进制，32位二进制能表示的地址长度为2的32次方，即寻址空间最大为 4GB。
而 64 位CPU的寻址范围是 64 位的二进制。能表示的地址长度更大，其寻址空间也会更大