微型计算机的工作过程
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- [1. 引言](#1. 引言)
- [2. 指令](#2. 指令)
- [3. 工作过程](#3. 工作过程)
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- [3.1 执行第一条指令的过程](#3.1 执行第一条指令的过程)
- [3.2 执行第二条指令的过程](#3.2 执行第二条指令的过程)
- [3.3 执行第三条指令的过程](#3.3 执行第三条指令的过程)
- [4. 总结](#4. 总结)
1. 引言
为了说明微型计算机的工作过程，以一个简单的的例子来介绍微型计算机的工作过程。即3+5=？
2. 指令
在介绍微型计算机的工作过程之前，先了解一下计算机的指令：
- 指令：完成一个基本操作的命令。
- 指令系统：一台计算机的全部指令的集合。
- 操作码：指令功能的编号。
- 操作数：为指令提供操作的数据或地址的编码。
3. 工作过程
以3+5=？为例的汇编语言程序和机器语言目标程序如下
| 汇编语言 | 机器语言 | 功能 |
|---|---|---|
| MOV A, #03H | 74 03H | 把03H送入累加器A |
| ADD A,#05H | 24 05H | 05H与累加器A中内容相加，结果存入A |
| SJMP $ | 80 FEH | 死循环，循环到本身，程序持续循环，保持运行状态 |
编译好的机器语言目标程序有6个字节，假设存储器地址从00H开始。
3.1 执行第一条指令的过程
取第一条指令的过程
①当前程序计数器P内容（00H）送往地址寄存器AR。
②PC自动+1，（01H）,指向下一个存储器单元。即第一条指令的操作数
③地址寄存器AR的内容00H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器选中相应的00H单元。
④CPU发出存储器"读"命令。
⑤在读命令的工作下，选中00H存储单元中的内容74H被读至数据总线DB上。
⑥读出的内容经数据总线DB送至数据寄存器DR。
⑦指令译码。因为取出来的是指令的操作码，所以数据寄存器DR的内容被送至指令寄存器IR中，然后再送至指令译码器ID,译码后由控制器发出执行这条指令的各种控制命令。
执行第一条指令
当指令译码器ID对操作码74H译码后，CPU就知道这是一条把下一个存储单位的数据（操作数）送至累加器A的指令，所以，该指令就把下一个存储器单元中的数据取出来送至累加器A的指令，所以，执行该指令就把下一个存储器单元中的数据取出来送至累加器A ，其操作过程如下：
①将当前程序计数器PC的内容01H送至地址寄存器AR。
②PC自动+1，（02H）,这里指向下一条指令，为取下一条指令做好准备。
③地址寄存器AR的内容01H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器译码后选中存储器01H单元。
④CPU发出存储器"读"命令。
⑤在读命令的控制下，所选中的01H存储单元的内容03H被读至数据总线DB上。
⑥读出的内容金数据总线DB送至数据寄存器DR。
⑦因为经过译码已经知道本次读出的内容送到累加器A,所以数据寄存器DR的内容03H通过内部数据总线送至累加器A。此时第一条指令执行完毕，操作数03H被送到累加器A中。
3.2 执行第二条指令的过程
第一条指令执行完成后，程序计数器PC的值为02H,指向第二条指令在存储器中的首地址，计算机再次重复取指令和执行指令。过程如下：
取第二条指令
这个过程与取第一条指令的过程相似，这里不在重复。 取第二条指令后程序计数器PC的内容为03H。
执行第二条指令
①将当前程序计数器PC的内容03H送至地址寄存器AR。
②PC自动+1，（04H）,这里指向下一条指令，为取下一条指令做好准备。
③地址寄存器AR的内容03H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器译码后选中存储器03H单元。
④CPU发出存储器"读"命令。
⑤在读命令的控制下，所选中的03H存储单元的内容05H被读至数据总线DB上。
⑥读出的内容金数据总线DB送至数据寄存器DR。
⑦数据寄存器DR的内容通过内部数据送至ALU的一个输入端。
⑧累加器A中的内容03H送至ALU的另一个输入端，在ALU中执行加法操作。
⑨相加的结果08H由ALU输出经内部数据总线送回累加器A中。
3.3 执行第三条指令的过程
第二天指令执行结束后，程序计数器PC的值为04H,指向第三条指令在存储器中的首地址，计算机再次重复取指令和执行指令，进入第三条指令的执行过程。
取第三条指令
这个过程与取第一条指令的过程相似，这里不在重复。 取第三条指令后程序计数器PC的内容为05H。
执行第三条指令
当第三条指令的操作码80H取出送指令译码器ID译码后，CPU就知道这是一条无条件相对位移指令，功能是把下一个存储单元的内容与当前程序计数器PC中的内容相加，加得的结果送回当前程序计数器PC。所以，执行该指令就把下一个存储单元中的数据取出来送至ALU的一端。PC的内容送至ALU的另一端，相加后ALU送回PC中。
①将当前程序计数器PC的内容05H送至地址寄存器AR。
②PC自动+1，（06H）,这里指向下一条指令，为取下一条指令做好准备。
③地址寄存器AR的内容05H通过地址总线AB送至存储器，经地址译码器译码后选中存储器05H单元。
④CPU发出存储器"读"命令。
⑤在读命令的控制下，所选中的05H存储单元的内容FEH被读至数据总线DB上。
⑥读出的内容金数据总线DB送至数据寄存器DR。
⑦数据寄存器DR的内容通过内部数据送至ALU的一个输入端。
⑧PC中的内容06H送至ALU的另一个输入端，在ALU中执行加法操作。（6-2=4，见下面注意内容理解为什么是-2）
⑨相加的结果04H由ALU输出至PC中。
注意：
FEH 是补码 转化为二进制是 1111 1110B
转换为 反码是 1111 1101B
转换为 原码是 1000 0010B
转换为 十进制 是 -2。
取指，PC自增：CPU开始执行这条 SJMP $ 指令时，会先将这条2字节的指令从存储器中取出。为了指向下一条指令，PC 会先自动加2（即 PC = PC + 2）。此时，PC指向的是这条 SJMP 指令之后的地址。
计算跳转目标：接着，CPU根据偏移量 rel 计算最终要跳转到的地址。计算公式为：目标地址 = (PC当前值) + rel。
计算过程：目标地址 = (原地址 + 2) + (-2) = 原地址。这个计算结果就是 SJMP $ 指令自身的起始地址。
4. 总结
微型计算机的工作过程本质上是 在 CPU 控制器指挥，通过总线与内存、I/O 设备交换数据，并周而复始地执行"取指-译码-执行"循环 的过程。