微机的一般工作过程_01在线视频

大家好

这一讲 我们来学习

微型计算机的一般工作过程

虽然我们这门课 实际上

就从头到尾就在介绍

这个

有关微机的基本工作过程

或者说 它的基本原理

但是

我们后续的内容

还没有学习之前

我们先用

这样一点时间

给大家

先简单的建立一个概念

就是先了解一下

微型计算机

大概的工作过程是什么样子的

我们在上一讲

已经介绍了

微机系统的基本组成

也就是说

微型计算机是由

硬件系统和软件系统

这样两个部分

来组成的

那么

我们这一门课

我们也说过

我们关注的是它的

硬件系统的构成

以及它的基本工作过程

那么

已经知道了

这样子的一个组成

我们要了解一下

它们到底是

怎么工作的？

我们知道

计算机能够干的事情

实际上就一件事情

就是执行程序

计算机也不能去干别的事

对吧

那么什么是程序呢？

程序实际上是

指令按照一定顺序

所构成的一个序列

请大家注意

这里的指令

如果

你之前学过

你或者接触过一些

高级语言的程序

或者甚至编过一些程序的话

那么请你理解

这里的指令

和高级语言中的语句

还是有一些区别的

这里的指令

我们确切的讲

应该是由0和1

这样的二进制形式

表示的机器语言的指令

我们高级语言里

一行语句

可能对一条指令

也可能对应多条指令

也就是说

它不是完全一一对应的

那么

现在我们来说到

在最底层

一个程序

不论你用什么样的语言编写

经过

要让计算机能够执行

它必须翻译成

由0和1所表示的

这种机器语言指令

所以

到了这样的

一个层面上

我们的程序就是这样

一条一条指令

构成的一种序列

所以

计算机

既然它的工作

就是只能执行程序

那么 也就是说

计算机的工作

归根结底就是

一条一条的来执行指令

那么到底什么是指令呢？

我们先简单的来说一下

所谓的指令

就是

由人所发出的一种命令

并且

这个命令

要能够被计算机所识别

当然

有关指令

在我们这门课的第三章

也就是说我们的

应该在第四周开始

我们会详细的

去跟大家学

一条一条8086的指令集

但是 在今天

我们先来讲一下

指令的一般概念

我们从这个定义上

我们能够感觉到

指令既然是由人发出的

那么一定是要人能认识的

而且

要让计算机去完成

能够让计算机

按照我们发的这个命令

能够去工作

那么也就说这个指令

计算机也要能够认识

所以

指令要兼具这样两者功能

就是既然

人也要认识

计算机也要能够识别

那么

计算机的工作过程

就是逐条执行

一个指令所构成的序列

也就是执行程序的过程

它的大致过程是怎么样子呢？

如果编过高级语言程序的同学

你们会知道

我们编完程序的时候

我们一定会把我们这个

我们编写的程序要保存

保存在哪里呢？

保存在硬盘上

它会以文件的形式存放

但是

我们已经知道

硬盘属于外部设备

也就是说

它和CPU之间

是不能直接进行信息交互的

那么也就是说

你在硬盘上所存放的这些程序

是不能够由CPU去执行的

因此

我们必须要把它

放在能够和CPU

直接交互的地方

就是这个内存

所以

当你的编写的程序

不论用哪一种语言

编写完了以后

经过编译之后

它就已经变成了

由0和1所表示的

机器语言指令

然后

它要装入到内存里

才能够被CPU去执行

装入到内存中的形式是什么样呢？

我们可以看

大概就是这样的一个形式

也就是说

已经翻译成了一条一条的指令

按照这样的一种顺序

这种顺序

当然是和我们自己

编写程序的那样子的一个流程相关的

然后

就这样放在内存里了

那么

下边我们用一个简单的图

来描述一下这个过程

我们说

程序既然是指令的序列

那么计算机就是执行

一条条执行指令了

它的大概过程

可以用这样子的一个图来描述

我们的程序已经在内存里之后

那么

这个程序

包含了一条一条的指令

其中有指令本身

也就是说

你指令的功能

到底是做加法还是做减法？

还有指令执行的数据

也就是说

谁加谁谁减谁 对吧

所以

这个指令

和你的数据一起

构成的程序

放在这个内存里

但是这个程序的执行

一定是CPU来完成的

所以

CPU在完成的时候

一定要先把这些指令和数据

从内存里取到CPU里

然后它去运行

运行完了以后

它把结果

要反馈给内存

所以

这个就是

一个简单的

示意性的总体的过程

是这样

那么我们现在想

我们把程序把指令

或者是数据

取到CPU里

然后又把结果送回来

这个总的过程

有一个

它分下来

一共包含哪些步骤呢？

我们可以更细一步的来分

也就是说

首先它要把指令取过来

取过来

取到CPU以后

它要去搞清楚

这个指令是干什么的？

我们叫它 分析指令

或者说

指令译码

也就是说

你要知道这个指令是

加法？减法？还是什么？

对吧

然后

如果分析清楚了

知道它是做加法

或者做减法

那么要知道它谁加谁

所以它的运算的数据

要去取过来

取完了以后呢？

当然现在就可以做加减乘除了

所以下边就是执行

执行完了以后

结果是不是要再送回去

所以

这就总的来讲

一条指令的执行过程

就包含了这样五个步骤

首先是取指令

就是从内存里

把指令取到CPU

然后

去分析一下这个指令

到底是什么功能？

是干什么的？

然后如果需要的话

要去取操作对象

取完此数据以后

然后我们去执行

执行完了把结果送回去

这就是一条指令

执行它完整的五个步骤

请大家注意

刚才我说的有一个词

我们说

把指令取过来

分析完了以后

如果需要的话

我们去取操作对象

什么叫如果需要呢？

就是如果我们现在

取了一条指令

我们分析完了

做加法或者做减法

那当然需要有

加和减的对象 对吧

谁加谁谁减谁？

我们一定要去取

但是 如果

我们分析完这条指令

发现它既不是加法

也不是减法

也不是乘法除法

它的执行是什么

就是对CPU

自己在肚子里执行一下

那么自己对自己在内部

就像你自己的

咽下了一个口水一样

实际上你跟外面

没有任何的交互

别人也不知道

你咽了一下口水

对吧

所以 这样子的话

我们就没有必要

到内存去取数据了

没有必要去取数据了

在它肚子里去执行了一遍

它的结果当然也就在它的肚子里

所以它的结果

也就不需要送回去了

因此

一条指令

虽然完整的是五个步骤

但是核心的是这三个

我们一定要去取

不取我们等于

CPU就没得可执行

我们取过来

一定要分析

我们要知道它是干什么的

否则就没有意义

然后

指令取过来

分析清楚了

我们的目的是什么

肯定要去执行

所以这三个步骤是一定要有的

在今天的CPU中

这三个步骤

实际上是

三个不同的部件在做的

每一个步骤

有可能是一个部件

也有可能甚至是两个

甚至多个部件

也就是说

取指令

我们总体上来讲

是取指令部件来做

当然这个取指令部件

可能是一个部件

部件也可能是两个部件

多个部件

分析指令

也是一个分析指令的部件做

执行指令

是执行指令的部件来做

当然

分析 执行

都有可能是多个部件在做的

其实我们今天

话说回来多核CPU

就是它得有多预算单元

实际上它就是在多个执行单元

就是这样子的意思

那么这些多个部件

我们现在不说那么多

那么也就是

取指令部件 分析指令部件

和执行指令部件

这三个部件

至少它们是三个 对吧

这三个部件

可以按照现在这个图上这样的顺序

先取再分析再执行

这是一种方式

还有一种呢

它们三个人同时做事

也是一种方式

因此 这三个部件

就有可能是顺序的执行

也有可能是并行的执行

这就是指令的顺序执行方式

和并行执行方式

那当然

顺序执行方式

就是一个做完下一个再做

这样子的方式

显得非常简单

就像我们在流水线一样

我拧完这个螺丝

送给下边

下边再拧另外一个螺丝

这个没有问题

这个控制起来很简单

但是 这样

相对效率会比较低

等一下我们用图来描述一下

那么并行执行的呢？

那当然就是大家同时做了

这样听起来

效率肯定是比较高的

当然它的控制就要相对复杂

我们先来看一下顺序

顺序

比如我们

第一条指令取过来

然后分析指令的部件

就去分析这条指令

然后执行指令部件

就去执行这条指令

如果我们抛开了

这个取操作数

和送结果

这样两个

非核心部件功能

就是把这三个

必须要有的部件

我们用它来做例子描述的话

那么

顺序执行

就是现在这个图

一条一条一条条

往下走

我们知道

取指令

是CPU要通过

要到内存去取的

所以也就是说

要通过门外的通道

我们从这间房子

要走到另外一间房子去

那么这个通道就是总线

所以取指令的时候

我们需要利用总线

也就是说总线属于盲目状态

那么分析指令和执行指令呢？

都是在CPU肚子里自己做的

也就是说这个时候

它和外面是没有关系的

所以这个时候

总线就控行

所以

从这样子的一个描述上我们看

从总线的角度来讲

它的利用率只有三分之一

从部件来讲

在任意一个时刻

三个部件只有一个部件在工作

所以

如果我们用一个例子

来说明一下的话

我们可以这样讲

假设我们每一个部件

它的工作时间

都是一个∆t的话

那么我们

完成一条指令的执行

不去考虑那个取操作数

和送结果

就这三个部件

完成一条指令的执行

就需要

它们三个∆t的和

所以这个n条指令

当然就是3n个∆t了

所以这个是

我们顺序执行指令的

一种模式

当你这个n足够大的时候

比如到

百万级千万级的时候

那么这个时间

相对是比较长的