程序就是指令的集合，為使計算機按預(yù)定要求工作，首先要編制程序。程序是一個特定的指令序列，它告訴計算機要做哪些事，按什么步驟去做。指令是一組二進制信息的代碼，用來表示計算機所能完成的基本操作。

　　1、程序

　　程序是為求解某個特定問題而設(shè)計的指令序列。程序中的每條指令規(guī)定機器完成一組基本操作。如果把計算機完成一次任務(wù)的過程比作樂隊的一次演奏，那么控制器就好比是一位指揮，計算機的其它功能部件就好比是各種樂器與演員，而程序就好像是樂譜。計算機的工作過程就是執(zhí)行程序的過程，或者說，控制器是根據(jù)程序的規(guī)定對計算機實施控制的。例如，對于算式

　　計算機的解題步驟可作如下安排：

　　步驟1：取a ；

　　步驟2：取b ；

　　步驟3：判斷 ；

　　若 b≥0，執(zhí)行步驟4

　　若b＜0，執(zhí)行步驟6

　　步驟4：執(zhí)行a＋b；

　　步驟5：轉(zhuǎn)步驟7；

　　步驟6：執(zhí)行a－b；

　　步驟7：結(jié)束。

　　計算機的工作過程可歸結(jié)為：取指令→分析指令→執(zhí)行指令→再取下一條指令，直到程序結(jié)束的反復(fù)循環(huán)過程。通常把其中的一次循環(huán)稱為計算機的一個指令周期。總之，我們可把程序?qū)τ嬎銠C的控制歸結(jié)為每個指令周期中指令對計算機的控制。

　　2、指令

　　程序是由指令組成的。指令是機器所能識別的一組編制成特定格式的代碼串，它要求機器在一個規(guī)定的時間段（指令周期）內(nèi)，完成一組特定的操作。指令的基本格式可歸結(jié)為操作碼OP和操作數(shù)地址AD兩部分，具體內(nèi)容是：

　　⑴ 指出計算機應(yīng)完成的一組操作內(nèi)容，如傳送（MOV）、加法（ADD）、減法（SUB）、輸出、停機（HLT）、條件轉(zhuǎn)移（JZ）等。這部分稱為指令的操作碼部分。

　　⑵ 兩個操作數(shù)的地址和存放結(jié)果的地址及尋址方式。

　　⑶ 為保證程序執(zhí)行的連續(xù)性，在執(zhí)行當(dāng)前指令時，還需指出下一條指令的地址。由于指令在存儲器中一般是順序存放的，所以只要設(shè)置一個指令指針（IP），每執(zhí)行一條指令，IP自動加1，便自動指出下一條指令的地址，而不必在指令中專門指出下一條指令的地址 。只有在轉(zhuǎn)移指令中才指出下一條指令的地址。此時，IP的內(nèi)容將隨轉(zhuǎn)移指令所指示的內(nèi)容改變。

　　3、指令的執(zhí)行

　　指令規(guī)定的內(nèi)容是通過控制器執(zhí)行的，或者說控制器是按照一條指令的內(nèi)容指揮操作的。

　　⑴ 控制器的功能

　　① 定序功能——保證按程序規(guī)定的順序執(zhí)行指令。

　　② 定時功能——計算機處理信息是通過信息在計算機的邏輯電路中的流通完成的。為保證計算機工作的準確性，控制器要為計算機 中的各部件提供統(tǒng)一節(jié)拍，使各條指令及組成每條指令的各基本操作（通常稱為微操作）都嚴格地按規(guī)定的時間有條不紊地自動執(zhí)行。

　　③ 操作控制功能——控制器應(yīng)能按照指令規(guī)定的內(nèi)容，在相應(yīng)的節(jié)拍向有關(guān)部件發(fā)出操作控制信號。

　　⑵ 控制器的組成

　　在控制器中，上述功能分別由指令部件、時序部件和操作控制部件來完成。它們的組成如圖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。它由指令指針I(yè)P（也叫指令計數(shù)器IC或程序計數(shù)器PC）、指令寄存器IR、指令譯碼器、地址計算部件組成。其中：

　　●指令指針I(yè)P的功能是指出當(dāng)前指令的地址。它有加1功能，通常每取一條指令后自動加1，以指出下條指令的地址。遇到特殊情況（如轉(zhuǎn)移）可通過地址計算部件形成下一條指令的地址。

　　●指令寄存器IR保存由存儲器取來的指令，并分別把操作碼OP和操作數(shù)地址AD送指令譯碼和地址計算部件。

　　●指令譯碼器也稱操作碼譯碼器。它按操作碼的內(nèi)容向操作控制部件提供相應(yīng)的操作電信號。

　　●地址計算部件的作用是對指令中地址碼進行（變址、間址等）運算，求出的操作數(shù)地址送存儲器以取出數(shù)據(jù)；或者把轉(zhuǎn)移指令中指出的下一條指令地址送IP。

　　② 時序部件：時序部件也叫節(jié)拍發(fā)生器，它能為各部件提供一個時間基準。時鐘頻率（如800MHz，1GHz，2 GHz，2.4 GHz，3 GHz…）越高，計算機的工作速度就越快。

　　③ 操作控制部件：該部件的功能是根據(jù)指令譯碼器的規(guī)定內(nèi)容，在規(guī)定的節(jié)拍內(nèi)向有關(guān)部件發(fā)出操作控制信號。

　　⑶ 指令的執(zhí)行過程

　　通常，計算機執(zhí)行一條指令的步驟如下：

　　① 把指令指針I(yè)P中的指令地址送存儲器，從該地址取出指令送指令寄存器IR；

　　② 地址計算部件，根據(jù)IR中的地址碼形成操作數(shù)地址送存儲器，從該地址取出數(shù)據(jù)，送到運算器中的寄存器（或寄存器組）；

　　③ 將IR中的操作碼OP送指令譯碼器進行譯碼；

　　④ 在控制器發(fā)出的操作信號的控制下，計算機各有關(guān)部件執(zhí)行操作碼OP規(guī)定的操作；

　　⑤ 指令指針I(yè)P加1，形成下一條指令地址。如遇到轉(zhuǎn)移指令，則按轉(zhuǎn)移指令對狀態(tài)標志寄存器測試的結(jié)果，決定是否將轉(zhuǎn)移指令中指出的指令地址送指令指針I(yè)P。

　　程序的執(zhí)行過程

　　當(dāng)我們輸入以下程序，編譯運行，計算機從屏幕輸出hello， world！。整個過程計算機都怎么運作的呢？

　　計算機內(nèi)部存儲的是0和1，計算機通過位信息以及上下文來解讀這些0、1信息的。

　　hellow，world是由0和1組成的序列，將這些程序代碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的文本字符，每8位表示一個字節(jié)，用來存儲一個字符。

　　hellow，world的ASCII碼表示

　　因為我們輸入的hellow，world是人可以閱讀和編寫的，但是機器并不能直接識別他們，我們需要把這些文字翻譯成機器可執(zhí)行的二進制文件，這一部分的工作是由編譯系統(tǒng)完成的。編譯系統(tǒng)由預(yù)處理器、編譯器、匯編器、連接器四部分組成。以hello， world程序為例，各部分共同完成將源文件編譯成二進制可執(zhí)行文件。各個部分完成的具體工作如下：

　　預(yù)處理器：根據(jù)以#開頭的命令，將包含的頭文件加載進入源程序源程序。預(yù)處理器讀取系統(tǒng)頭文件stdio.h中的內(nèi)容，代替此行內(nèi)容。源程序經(jīng)過預(yù)處理后，得到另一個c程序，此程序通常以.i為后綴保存。

　　編譯器：將預(yù)處理后的.i文件轉(zhuǎn)換成匯編程序。編譯器將不同的高級語言（如c語言，C++語言）轉(zhuǎn)換成嚴格一致的匯編語言格式進行輸出。匯編語言以標準的文本格式確切的描述每機器語言指令。編譯器得到的文件通常以.s為后綴保存。

　　匯編器：將匯編語言（.s文件）翻譯成機器語言指令，并將這些指令打包成一種可定位目標程序格式。匯編后得到的文件即為二進制文件，通常以.o為后綴。

　　鏈接器：hello， world程序中調(diào)用過printf函數(shù)，它是一個c標準庫里的函數(shù)。Printf函數(shù)存放在一個名為printf.o的單獨預(yù)編譯的文件中。而這個文件必須以適當(dāng)?shù)姆绞讲⑷氲轿覀兊某绦蛑校@個工作由鏈接器完成。將外部的.o文件并入后，得到一個完整的hello， world可執(zhí)行文件。可執(zhí)行文件加載到存儲器后，由系統(tǒng)復(fù)制執(zhí)行。

　　程序加載進入CPU的過程

　　Shell：命令行解釋器，當(dāng)用戶輸入一行命令后，shell先判斷它是不是一個shell內(nèi)置命令，如果不是，shell會假定用戶輸入為一個可執(zhí)行文件的名字，從而去加載并執(zhí)行該文件。因此，當(dāng)我們通過編譯系統(tǒng)將源文件編譯成可執(zhí)行二進制文件后，在shell中輸入我們得到的可執(zhí)行二進制文件名，shell將其從磁盤中加載到主存當(dāng)中，通過CPU進行解釋運行，最終通過終端設(shè)備（屏幕）將他顯示出來，程序運行結(jié)束。

　　主存儲器：簡稱主存，是處理器執(zhí)行程序時用于臨時存放程序及其數(shù)據(jù)。主存由一組動態(tài)隨機存儲器芯片組成。

　　運算器：計算機中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算操作的部件。

　　控制器： 計算機中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算操作的部件。

　　三、CPU的組成

　　CPU是由四大部分所構(gòu)成的：寄存器、控制器、運算器、時鐘。

　　寄存器

　　CPU內(nèi)部的內(nèi)存，程序加載進CPU內(nèi)部的寄存器中從而被用來解釋和運行。

　　控制器

　　計算機的指揮中心，負責(zé)決定執(zhí)行程序的順序，給出執(zhí)行指令時機器各部件需要的操作控制命令。

　　運算器

　　計算機中執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算操作的部件。

　　時鐘

　　它是處理操作的最基本的單位，影響著指令的取出和執(zhí)行時間。

　　CPU中的主要寄存器

　　累加寄存器（AC） ：主要進行加法運算。

　　標志寄存器（PSW） ：記錄狀態(tài)，做邏輯運算。

　　程序計數(shù)器（PC） ：是用于存放下一條指令所在單元的地址的地方。

　　基質(zhì)寄存器（BX） ：儲存當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)存開始的位置。

　　變址寄存器 ：儲存基質(zhì)寄存器的相對位置。

　　通用寄存器（GPRs） ：支持有所的用法。

　　指令寄存器（IR） ：CPU專用，儲存指令。

　　堆棧寄存器（SP） ：記錄堆棧的起始位置。

　　寄存器寄存器是中央處理器內(nèi)主要組成結(jié)構(gòu)成分，它是CPU當(dāng)中有限存貯容量的高速存貯部件，它在工作時能將計算機指令數(shù)據(jù)進行暫時的存儲。

　　內(nèi)存地址=基質(zhì)+變址

　　處理器讀取并解釋存儲在存儲器中的指令

　　處理器的操作主要是圍繞程序計數(shù)器、算術(shù)/邏輯運算單元、主存來進行運作的。處理器首先從PC所指向的主存存儲單元讀取指令，解釋指令中的位，執(zhí)行該指令指示的簡單操作，然后更新PC寄存器，使其指向下一條要執(zhí)行的指令。CPU會執(zhí)行的操作有：

　　加載：把一個字節(jié)或一個字從主存復(fù)制到寄存器，覆蓋掉寄存器中原來的值。

　　存儲：把一個字節(jié)或一個從寄存器復(fù)制到主存，并覆蓋主存中原來的值。

　　操作：把兩個寄存器的內(nèi)容復(fù)制到ALU，ALU對兩個字做算術(shù)運算后存回其中的一個寄存器，該寄存器中原來的值會被覆蓋。

　　跳轉(zhuǎn)：從cpu執(zhí)行的指令抽取一個字的內(nèi)容存入PC，覆蓋掉原來的值，從而改變下一條要執(zhí)行的指令，達到跳轉(zhuǎn)的目的。

　　hellow，world程序首先被加載，從磁盤中復(fù)制到寄存器中，寄存器將hwllow，world程序復(fù)制到主存中進行存儲。程序運行過程中，CPU執(zhí)行hellow，world機器指令，指令的結(jié)果是將”hellow，world”字符由內(nèi)存復(fù)制到寄存器，寄存器再將結(jié)果復(fù)制到顯示設(shè)備上顯示出來。