下面通过一个简单的例子来说明计算机的工作过程和原理。

1.微型计算机的基本工作过程

上电后,CPU做如下工作:

·取指令(从PC复位值的地址处);

·分析指令(译码);

·执行指令;

·再取下条指令,重复上述操作。

2.以执行s=a+b为例,说明计算机的工作过程

下面通过介绍计算s=a+b的过程,说明计算机是如何工作的。

为完成这个计算任务,必须先做如下工作:

·编写完成该任务的程序(源程序);

·输入计算机(通过适当的外围设备和I/O接口,经总线到存储器);

·编译、检错纠错,编译通过后,变成“机器码”,放在内存的程序区;

·运行程序;

·输出结果。

能完成s=a+b的一种汇编程序如下:

;以下是数据区

;以下是程序区

程序经输入设备输入计算机,再经编译程序编译后,若没有错误,就把它翻译成计算机能识别并能执行的相应二进制编码指令(机器码)。运行“START”程序时,机器将自动从标号START开头的语句(由程序计数器PC指向它)开始运行。由于指令执行过程的重要性,这里重复说明如下。

(1)取第一条指令

把PC指向的地址送“地址总线”,并发出“存储器读”命令,内存收到该命令,就把相应单元的内容(指令的机器码)读出并送到数据总线,CPU接收它,并把它存入指令寄存器IR。(www.daowen.com)

在取指令后,PC自动增加并指向下条指令,该指令经译码后,识别出是从存储器读取数据,并写到累加器A中,就自动启动下一条总线操作,以实现该指令的功能。

控制器把指令中a的地址送地址总线,同时发出“读存储器”命令;存储器收到命令后,就读出相应地址单元的内容(操作数a)并送到数据总线;CPU从数据总线接收该数据,再送到累加器A,就完成了第一条指令的操作。

这里取指令操作和读数据操作,对存储器来说,没有什么差别,但对CPU来说,它们是完全不同的操作:取指令操作取出的是能指导计算机工作的“指令”,它要被送到IR中去执行;而读数据操作读出的只是操作对象而已。这种差别CPU的控制器完全清楚,并能控制它到达该去的地方,这是由指令译码和“微命令发生逻辑”生成的微命令控制的结果。

(2)下一周期的取指令

与前面一样,把PC指示的指令(第二条指令)取出来,送到IR中,PC自动指向再下一条指令。

在“指令译码”阶段,使控制器知道这是一条加法指令,且一个加数在A内,另一个加数在存储器内,自动生成相应命令,完成该指令的操作。

首先,把指令中b的地址送地址总线,并发出读存储器命令;存储器接到该命令,就把操作数b送到数据总线;CPU接收该数据,并把它暂存在TEMP寄存器中。其次,CPU把A和TEMP的内容在“运算器”中相加,并把“和”送到累加器A,同时改变状态寄存器的标志位,如C、N、O、Z、A、P等〔这些标志位的含义和作用将在本章“1.1.4计算机运算基础(信息表示及其操作)”中介绍〕。

(3)第三条指令的取指令

译码与前面类似,在执行过程中,把A的内容写到s单元:CPU把s的地址送到地址总线,把A的内容送到数据总线,并发出“存储器写”命令,存储器接收到该命令后,就把数据总线上的数据写到相应地址单元中去。

(4)再下条指令是“停机”指令

该指令表示程序到此结束,以免程序继续向下执行,把不是指令的其他数据也当作指令执行,这将会造成系统的错误动作,产生难以预料的结果。当然,除了用HLT指令使程序停止执行外,还有其他方法可以使用户程序运行终止,在学习本书后,就会知道。

程序运行的结果是否正确,可以通过把单元a、b、s的内容输出到输出设备(如显示器)来检查和验证。若结果不对,可用软件工具来检测调试,必要时,可以逐条执行指令,检查每条指令的执行情况,直到找出并纠正存在的错误,得出正确结果为止。

上述操作都是CPU经常性的基本操作。这些操作都是在CPU控制器的控制下完成的。

3.CPU对其他外部事件作出响应

CPU除了运行程序之外,还有对以下外部事件作出相应响应的能力。

·RESET:系统复位(从错误中恢复的手段)。

·后两条属于内部或外部意外事件的处理请求(中断或陷阱)。

·总线请求:其他主设备请求使用系统总线。

·联络控制:保证信息在机器内高效、可靠地传送。

此外,现代计算机的CPU内还加入了某些大中型计算机才使用的技术,如浮点运算部件、存储器管理部件、高速缓存、指令和数据队列等。这些都是为了提高计算机的性能(如提高运行速度)和计算机处理复杂事物的能力(如管理更大容量的存储器)而加入的。