程序是如何執行的（一）a=a+1

1、概述

一、計算機中有兩個主要的核心部件：CPU和內存，其中CPU負責運算而內存負責存儲程序和相關的變量，每一條程序語句和變量都在內存中有對應的內存地址。

二、寄存器是CPU的存儲單元，每個CPU都會有通用寄存器來給程序使用，編號R1~R32，表明有32個通用寄存器。

三、CPU中的核心部件

（1）程序計數器PC(Program Counter)

　　程序計數器是一個特殊的寄存器部件，程序執行時，PC始終指向內存中的某條指令語句（即該條語句的內存地址），而後CPU就是讀取（PC）所指向的那條指令執行。

　　在順序執行程序語句時，PC經過順序加1(32位CPU一個指令佔4字節，64位8字節)自動指向下一條要執行的程序語句。可是對於一些控制結構語句如if else for while這時PC的值就不是順序加1指向下一條語句了。

（2）指令寄存器IR(Instruction Register)

　　指令寄存器也是一個特殊的寄存器，用來存放從內存中讀取的指令。CPU從內存中讀取指令到IR以後，由特定部件來解讀這條指令，並執行相關的操做。

（3）算術邏輯單元ALU(arithmetic logic unit)

　　ALU是處理器中進行真實運算的部件，執行指令時，CPU把寄存器中的值輸入到ALU中，ALU作完運算後把結果存回寄存器

2、a=a+1

一、

對於a=a+1這條程序語句須要分解爲三步，一、把變量a讀取到某一個寄存器R存儲，二、CPU對寄存器R的值進行計算，三、計算完成後將值存回內存

分解「a=a+1」的執行步驟：

第一步，CPU從地址300處讀取第一條語句，CPU執行「讀取a到R"語句，就會從地址1000出將a的值讀到寄存器R中。

第二步，CPU從地址301處讀取第二條語句，執行"R+1"語句，CPU會對R執行加1的操做

第三步，CPU從地址302出讀取第三條語句，執行"將R存回a"語句，把寄存器R中變量a的值存回到內存中地址1000處。

二、彙編指令的概念

彙編指令由操做碼和操做數組成，操做碼是指令執行的基本動做，在load R1,(address)中，load是操做碼，其後的寄存器R1和(address)都是操做數

　　（1）"讀取a到R"操做-load指令：

　　load執行用來表示"CPU將內存中的a讀取到寄存器R中"的操做。load指令須要有兩個操做數。格式:load R1,(address),address是內存地址，(address)表示這個地址內存的值。例load R1,(1000)表示將地址1000處的變量值讀取到寄存器R1中。

　　（2）"R賦值"操做-mov指令：

　　格式：mov R1，constant        mov用來將一個數賦給寄存器,mov指令有兩個操做數前一個是寄存器，後一個是十六進制常數。例mov R1，0Ah表示將0Ah（十進制10）賦給寄存器R1。mov R2,R1表示將寄存器R1的值賦值給R2。

　　（3）"R加1"操做-add指令

　　格式：add R2,R1,constant    表示將R2=R1+constant。例add R2,R1,01h表示將寄存器R1中的值加1後將結果存到R2。例add R1,R1,R2表示將R1與R2的值相加將和存回R1。

　　（4）減法指令-sub

　　格式:sub R2,R1,constant  表示R2=R1-constant。例sub R3,R1,R2表示R3=R1-R2

　　（5）左移位指令shiftl

　　格式shiftl R2,R1,constant  表示R1寄存器的值左移constant位而後將值存入R2，左移一位就至關於乘以2，左移兩位就至關與乘以4。例：

shiftl R2,R1,05h表示R2 = R1 * 2的5次方

　　（6）右移位指令shiftr

　　（7）"將R存回a"操做-store指令

　　格式:store (address),R1     程序語句中的存回表示將寄存器R中的值存回到內存中。address是內存地址，(address)是要存回的值，R1是寄存器。例:store (500),R1表示將寄存器R1中的值存入到內存地址500處

 

三、a=a+1的完整執行過程

首先用匯編指令表示一下這個過程（a = 10;a = a + 1）:

mov R1,0Ah
store (1000),R1
load R1,(1000)
add R1,R1,01h
store (1000),R1

具體執行過程：

（1）CPU從地址301處開始執行，PC的值爲301，CPU從地址301處讀取mov指令到IR，解讀並執行mov指令，給寄存器R1中的變量賦初值10，而後PC加1，指向下一條彙編指令

（2）PC值爲302，CPU從地址302處讀取store指令到IR，解讀並執行store指令，將寄存器R1中的變量a的值存到內存地址1000處，而後PC加1指向下一條彙編指令。

（3）PC的值爲304，CPU從地址304處讀取add指令到IR，解讀並執行add指令，將寄存器R1中變量a的值加1，並將結果再存回寄存器R1，而後PC加1，指向下一條彙編指令。

 

本文參考書籍：《計算機科學導論:以Python爲舟》