计算机程序的执行过程

一。 计算机程序的执行过程

程序就是指令的集合

为使计算机按预定要求工作，首先要编制程序。程序是一个特定的指令序列，它告诉计算机要做哪些事，按什么步骤去做。指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机所能完成的基本操作。

1．程序

程序是为求解某个特定问题而设计的指令序列。程序中的每条指令规定机器完成一组基本操作。如果把计算机完成一次任务的过程比作乐队的一次演奏，那么控制器就好比是一位指挥，计算机的其它功能部件就好比是各种乐器与演员，而程序就好像是乐谱。计算机的工作过程就是执行程序的过程，或者说，控制器是根据程序的规定对计算机实施控制的。例如，对于算式

计算机的解题步骤可作如下安排：

步骤1：取a ；

步骤2：取b ；

步骤3：判断 ；

. 若 b≥0，执行步骤4

.若b ＜0，执行步骤6

步骤4：执行a ＋b ；

步骤5：转步骤7；

步骤6：执行a －b ；

步骤7：结束。

计算机的工作过程可归结为：取指令→分析指令→执行指令→再取下一条指令，直到程序结束的反复循环过程。通常把其中的一次循环称为计算机的一个指令周期。总之，我们可把程序对计算机的控制归结为每个指令周期中指令对计算机的控制。

2．指令

程序是由指令组成的。指令是机器所能识别的一组编制成特定格式的代码串，它要求机器在一个规定的时间段（指令周期）内，完成一组特定的操作。指令的基本格式可归结为操作码OP 和操作数地址AD 两部分，具体内容是：

⑴ 指出计算机应完成的一组操作内容，如传送（MOV ）、加法（ADD ）、减法（SUB ）、输出、停机（HLT ）、条件转移（JZ ）等。这部分称为指令的操作码部分。

⑵ 两个操作数的地址和存放结果的地址及寻址方式。

⑶ 为保证程序执行的连续性，在执行当前指令时，还需指出下一条指令的地址。由于指令在存储器中一般是顺序存放的，所以只要设置一个指令指针（IP ），每执行一条指令，IP 自动加1，便自动指出下一条指令的地址，而不必在指令中专门指出下一条指令的地址 。只有在转移指令中才指出下一条指令的地址。此时，IP 的内容将随转移指令所指示的内容改变。

3．指令的执行

指令规定的内容是通过控制器执行的，或者说控制器是按照一条指令的内容指挥操作的。

⑴ 控制器的功能

① 定序功能——保证按程序规定的顺序执行指令。

② 定时功能——计算机处理信息是通过信息在计算机的逻辑电路中的流通完成的。为保证计算机工作的准确性，控制器要为计算机 中的各部件提供统一节拍，使各条指令及组成每条指令的各基本操作（通常称为微操作）都严格地按

规定的时间有条不紊地自动执行。

③ 操作控制功能——控制器应能按照指令规定的内容，在相应的节拍向有关部件发出操作控制信号。

⑵ 控制器的组成

在控制器中，上述功能分别由指令部件、时序部件和操作控制部件来完成。它们的组成如图1-8所示。

① 指令部件：指令部件的主要功能是取指令和分析指令。它由指令指针IP （也叫指令计数器IC 或程序计数器PC ）、指令寄存器IR 、指令译码器、地址计算部件组成。其中：

●指令指针IP 的功能是指出当前指令的地址。它有加1功能，通常每取一条指令后自动加1，以指出下条指令的地址。遇到特殊情况（如转移）可通过地址计算部件形成下一条指令的地址。

●指令寄存器IR 保存由存储器取来的指令，并分别把操作码OP 和操作数地址AD 送指令译码和地址计算部件。 ●指令译码器也称操作码译码器。它按操作码的内容向操作控制部件提供相应的操作电信号。

●地址计算部件的作用是对指令中地址码进行（变址、间址等）运算，求出的操作数地址送存储器以取出数据；或者把转移指令中指出的下一条指令地址送IP 。

② 时序部件：时序部件也叫节拍发生器，它能为各部件提供一个时间基准。时钟频率（如800MHz ，1GHz ，2 GHz，

2.4 GHz，3 GHz…）越高，计算机的工作速度就越快。

③ 操作控制部件：该部件的功能是根据指令译码器的规定内容，在规定的节拍内向有关部件发出操作控制信号。 ⑶ 指令的执行过程

通常，计算机执行一条指令的步骤如下：

① 把指令指针IP 中的指令地址送存储器，从该地址取出指令送指令寄存器IR ；

② 地址计算部件，根据IR 中的地址码形成操作数地址送存储器，从该地址取出数据，送到运算器中的寄存器（或寄存器组）；

③ 将IR 中的操作码OP 送指令译码器进行译码；

④ 在控制器发出的操作信号的控制下，计算机各有关部件执行操作码OP 规定的操作；

⑤ 指令指针IP 加1，形成下一条指令地址。如遇到转移指令，则按转移指令对状态标志寄存器测试的结果，决定是否将转移指令中指出的指令地址送指令指针IP 。

4．计算机的解题过程

要使计算机按预定要求工作，首先要编制程序。程序是一个特定的指令序列，它告诉计算机要做哪些事，按什么步骤

去做。指令是一组二进制信息的代码，用来表示计算机所能完成的基本操作。不同的计算机所包含指令的种类和数目是不同的，通常把一台计算机所能执行的各类指令的集合，称为该机的指令系统。因此，在机器一级的程序设计，就是按照解题要求在机器指令系统中选择并有序组合解题需要的指令序列的过程。

使用计算机解题大致要经过程序设计→输入程序→执行程序等步骤。现以计算a ＋b －c 为例来说明这一过程。

设a 、b 、c 为已知的三个数，分别存放在主存的5~7号单元中，结果将存放在主存的8号单元。若采用单累加器结构的运算器，要完成上述计算至少需要5条指令，这5条指令依次存放在主存的0~4号单元中，参加运算的数也必须存放在主存指定的单元中，主存中有关单元的内容如图1-9(a)所示。运算器的简单框图如图1-9(b)所示，图中参加运算的一个操作数来自累加器，另一个来自主存，运算结果则放在累加器中。

计算机的控制器将控制指令的逐

条、依次执行，最终得到正确的结果。具体步骤如下：

⑴ 执行取数指令，从主存5号单元取出数a ，送入累加器中。

⑵ 执行加法指令，将累加器中的内容a 与从主存6号单元取出的数b 一起送到算术逻辑部件ALU （Arithmetic Logic Unit ，ALU ）中相加，结果a ＋b 保留在累加器中。

⑶ 执行减法指令，将累加器中的内容a ＋b 与从主存7号单元取出的数c 一起送到算术逻辑部件ALU 中相减，结果a ＋b －c 保留在累加器中。

⑷ 执行存数指令，把累加器中的内容a ＋b －c 存至主存8号单元。

⑸ 执行停机指令，计算机停止工作。

二。编译型和解释型语言

将高级语言翻译成机器语言有两种方式：编译和解释。二者区别在于翻译的时间不同。

编译型语言：程序在执行之前需要一个专门的编译过程，把程序编译成为机器语言的文件，运行时不需要重新翻译，直接使用编译的结果就行了。因此效率比较高。比如C 语言。

解释型语言：程序不需要编译，程序在运行时才翻译成机器语言，每执行一次都要翻译一次。因此效率比较低。比如Basic 语言，专门有一个解释器能够直接执行Basic 程序，每个语句都是执行的时候才翻译。

C 语言是编译型的。

Java 比较特殊，Java 程序也需要编译，但是没有直接编译成机器语言，而是编译成字节码，然后用解释方式执行字节码。 C 程序——>机器语言（编译）

Java 程序——>字节码（编译）——>机器语言（解释）

指令是由0和1组成的一组具有“根据当前硬件状态而改变计算机硬件状态为目地的二进制代码。简单的说计算机就是电路的状态的表现。计算机是一种思想“控制、输入输出、处理、存储”从一个人的处理事件的角度上说是符合人类的处理方式。所以计算机是一种以人类处理事物思想的产物。

计算机能按部就班的工作是依靠它的内部电路的状态（如寄存器），在计算机内一条指令可以理解成改变这些电路状态的二进制代码，当然改变是根据硬件当时的状态来改变的，比如果1+1的计算机内部，1这个值是一种电路状态，通过一组逻辑电路把两组电路的状态重新组合成一新的电路状态值。其实代码中的一位实质就是一个基本电路的开\合。

指令在储存设备中表现方式也是一种电路状态，通过总线把这一组电路状态传达到控制模块，控制模块根据寄存器的状态来设计电路的布线（比如说这条指令是计算指令，就要把数据保存到电路中去，然后将其与计算模块相通，然后设置保存计算结果的电路）然后执行。所以指令就是改变状态的二进制代码。