一条汇编指令是如何在计算机的硬件中进行执行的

Posted 2020-11-09 lictemolix

　　本文说明的是单纯的一般的计算指令从储存设备中取出来之后，运行时(取址，译码，执行，回写 -- 这些操作)在CPU和我们的主存之间的执行过程

以下，我们使用一条简单的指令进行引入，后续再添加其他的情况：

ADD R0,[6] //将主存地址为6的内容取出和寄存器R0的内容相加，并回写入R0中

为了更加明确的了解后续的执行过程先普及一下基本的计算机结构（一个简单的模型机）:

模型机的结构

 

主存的结构(模型机)

 

CPU的控制器(CC)结构

CPU的运算器(CA)结构

 

以上

好的，现在可以进入正题了，tips: 上面的都是说的模型机的结构，不代表现在的硬件的真实的结构

下面这个图是就是执行的环境

 

通过上面的图，我们可以看出：R0中储存的是数值3，PC中储存的内容是0001

    第一步:取址

• 控制器将指令的地址送往寄存器
  
• 存储器按给定的地址读取处指令的内容，送回控制器
  

PC中是记录的当前下一条需要执行的指令的地址，开始执行

 

情景参与角色：CPU_控制电路，存储器_控制逻辑，存储器_MDR，CPU_MDR，CPU_IR

 

CPU_控制电路：    CPU_PC，把你的东西给CPU_MAR，好告诉存储器该做什么

PC,CPU_MAR：    收到   (于是CPU_MAR获得了PC中的东西)

----------此时，CPU_MAR在cpu控制电路的指导下，将数据通过 地址总线发送给了存储器的MAR ，CPU_控制电路并告诉了存储器的控制逻辑只是一个只读的

存储器_MAR:         地址译码器大哥，有你的任务

地址译码器 ：        晓得了   (此时控制逻辑通过控制总线告诉CPU : "I am ready" 过了一会对MDR说)   莫睡了，快起来给你个数据。

存储器_MDR：      MMP,要的  （获得0001处的内容，10101010）

存储器_MDR：      CPU_MDR，我弄好了，给你

CPU_MDR:            好，给我嘛，已收到！

CPU_IR:                给我，我现在要给指令译码的部分了！ （CPU_MDR的内容复制给）

CPU_PC:               悄悄的自增。（变成下一条指令的地址）

取址的工作完成

以下是图解：

 

 

    第二步:译码

• 控制器分析指令的操作性质
  
• 控制器向有关部件发出指令所需的控制信号
  

         CPU_IR现在将数据传送给指令译码器，指令译码器知道了这个指令代表的含义是：ADD R0,[6]

 

    第三步：执行

• 控制器从通用寄存器或存储器取出操作数
  
• 控制器命令运算器对操作数进行指令规定的运算

        通过译码找到了加数的位置是内存中的第6个的位置，此时CPU_MAR中保存着这个数值0110，CPu控制电路发送只读命令，CPU_MAR将数据送入存储器_mar中,通过地址译码器找到第0110位置的内容，将内容给存储器_MDR,此时控制逻辑发送Ready信号，CPU_MDR开始接收数据，变为00000010，然后MDR和R0通过内部总线将数据送入X，Y寄存器中，XY的内容作为A，B输入进ALU中，然后将结果保存在Z寄存器中，F寄存器中保存的是当前运算结果的状态。

图解：

 

 

 

    第四步：回写

• 将运算结果写入通用寄存器或存储器（这个要看是代码是怎么写的,默认前面的存储空间就是回写的位置）

 

 

 声明：以上图片来自北京大学陆俊林老师的计算机组成原理课程PPT

这个过程就完成了，寄存器和内存中的内容进行ADD操作并回写如寄存器中的步骤就是这样的

思考：如果是寄存器和寄存器中的内容进行相加呢？内存某位置内容和寄存器内容相加回写入内存某一个位置呢？