1.1计算机工作过程（超详细）

2023-02-01 213

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简介： 1.1计算机工作过程（超详细）

一、计算机组成框图

为了方便大家对计算机工作过程的理解，在这里我又总结了详细的教程。

先来看一下计算机每个部分的功能：

在这里插入图片描述

请添加图片描述

二、思维导图

这里将计算机部件的各个概念，做了一个思维导图。

大家可以照着记忆，还是非常全面的。

在这里插入图片描述

三、部件剖析

（1）存储器

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注意“字”和“字节”的区别。
还有“B”和"b"的区别。

（2）运算器

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（3）控制器

在这里插入图片描述

四、案例剖析（重点）

我们来分析一下这几行代码，在计算机中如何运作的。

int a=2,b=3,c=1,y=0;
y=a*b+c;

右侧是存储器内存图：

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（1）a=2

首先是取值。

来看一下详细的运转过程。

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有几个需要注意的点：

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（2）a*b

a的值已经被送到ACC寄存器里面了。

所以现在的乘法指令的地址码（0000000110）指向的是另一个乘数b的存放位置。

通过地址码（0000000110-->6）可以看到，取出的数是：0000000000000011，转为十进制就是3。

接下来b的值3会通过数据总线，送到MQ（乘商寄存器）。（图中第9步）

$[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-PtRMuSXb-1673444517415)(D:\Typora图片\image-20230111202525737.png)]$

现在b的值已经放入MQ里面。

我们还需要将a的值从ACC里面拿出来，放在X寄存器里面。（CPU进行乘法操作的时候，会把被乘数a放在X寄存器，把乘数b放在MQ乘商寄存器里面）

接下来，CU会通过控制线，告诉ALU，让它进行乘法运算。

ALU就会把X和MQ寄存器里面存储的数相乘，最终的结果放入ACC。

所以ACC现在得到a*b的值，即6。

如下图：

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如果相乘的数特别大，ACC寄存器存不下，这时候就需要MQ寄存器辅助存储，MQ里面存放乘法运算结果的低位。

和前面那一条指令（a=2）相比，第一步到第五步是相同的。

只有当控制单元分析出这一条指令是乘法指令的时候，接下来的操作才会有区别。

（3）a*b+c

上一个步骤取指令之后，PC自动加一。

所以，现在的PC指向了2：

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ACC寄存器里面存放了a*b的值，即6。

前面五个步骤是一样的，通过前五个步骤，可以完成取指令和分析指令。

现在，CU会分析的指令操作码是000011，对应是加法操作。

接下来，CU会根据加法指令的执行步骤来指挥其他部件协调工作。

这次要计算的是a*b+c，而a*b的结果已经在ACC中了。所以这个加法指令的地址码指明的是c变量的存放地址。

IR将地址码部分（0000000111-->7）传给了MAR，MAR再传给存储体。

存储体通过这个地址找到对应的值，即：0000000000000001-->1。然后将这个值送给MDR。

现在MDR里面存的就是c的值1。

然后MDR将c的值送入X寄存器里面。（加法运算的时候，ACC里面事先存了被加数，即a*b；X寄存器会存放加数，即c）

接下来控制单元会向ALU发送一个信号，告诉他此次要执行加法操作。

然后ALU就会把ACC和X寄存器里面存放的值加在一起，并且将加的结果放入ACC里面。

这样下来，最终ACC存入的结果是7（a*b+c）。

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（4）y=a*b+c

接下来要将a*b+c的值存入y中。

之前进行的a=2这些操作，都是取值操作。

现在要做的，是要把a*b+c的值存入y中，是存值操作。

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:question:存值操作是如何进行的呢？

经过上面的分析，知道现在这一条指令是存数指令，也就是将ACC里面的值（7）存入地址码（0000001000-->8）所指明的存储单元中的位置。

8这个存储单元，刚好对应的是y变量的存储位置。

具体步骤：

①IR将地址码部分（0000001000）送入MAR，用来指明此次需要存入哪一个存储单元。（图中第6步）

②还要将ACC里面的值通过数据总线，送入MDR里面。（图中第7步）

此时MDR里面保存了a*b+c的值。

MAR里面的地址指明，这个值需要存入内存地址为8的地方。

③CU告诉存储器，此时要进行的是存入（写）操作。

主存储器会根据MAR所指明的地址，把MDR里面的数据，放到相应的位置。

所以，8号存储单元的值变为了7。

如图：

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（5）停机

上面的取指令之后，PC的值还是会加一，指向下一个内存单元的地址。

此时，PC=4了。

首先还是要取出指令，PC将4号位置的地址送入存储器，存储器再将指令送入IR，IR再将操作码部分（000110）送入CU。

CU经过分析，发现这是一条停机指令。

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这时候，程序运行结束了。

要停止一个进程的运行，就要通过系统调用来通知操作系统终止这个进程，接下来就是操作系统要进行的相关指令了。

这里不做探讨。

五、总结

计算机的工作过程：

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任何一个指令的执行，都是这三个阶段：取指令、分析指令和执行指令。

无论执行的是什么指令，前面五个步骤（取指令和分析指令）都是一样的，只有分析完指令之后，CU才可以知道这条指令到底要做什么。接下来的步骤，对于不同的指令就有可能不一样。

“取指令”阶段，MDR里面的数据是要传送到IR寄存器的。

而在“执行指令”的阶段，CU会根据具体执行的指令来决定MDR里面的数据是放入ACC还是放入MQ或者其他寄存器里面。

根据指令执行周期的不同，CPU就可以区分出这次从内存中取出的到底是指令还是数据。

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现代计算机通常把MAR、MDR也集成到CPU里面。

这次的案例，每一条指令只给出了一个操作码和一个地址码。有的计算机给出的指令，可能有多个地址码。

比如一条指令包含两条地址，这种指令就被称为二地址指令。

存储程序：在程序运行之前，指令和数据都会被提前存到主存里面。

参考：王道视频
整理文章内容不容易，多多支持。
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