3.3 计算机指令系统及工作原理

3.3.1 指令系统和程序

1.指令和指令系统

指令（instruction）是计算机执行某种操作的命令，最低级的指令由一串 0 和 1 二进制数码组成，也称为机器指令。一条指令规定了计算机执行的一个操作，一般由操作码和操作数两部分组成。操作码规定了该指令进行的操作种类，如加、减、乘、除、存数、取数等；操作数给出了参加运算的数或操作数所在的地址。指令不同，其长度一般也不同。比如，有单字节地址和双字节地址。指令一般格式如图 3-4 所示。

计算机指令系统是指一台计算机所能执行的各种不同指令的集合，也被称为计算机的指令集合。每一台计算机均有自己特定的指令系统，其指令内容和格式有所不同。通常情况下，计算机都是通过执行多条指令，完成多种不同的操作。计算机指令系统是否丰富完备，很大程度上决定了计算机的性能和处理能力。

2.程序

程序就是人们为了解决一个实际问题而编制的一系列的指令，即一个指令序列。设计和书写程序的过程就是程序设计。执行程序的过程就是计算机的工作过程。

计算机可以直接识别和执行的指令都是基于机器语言，由机器指令构成的程序叫作目标程序。也可以用汇编语言编写程序，汇编语言实质就是表示机器语言的一组助记符号，用该语言编写的程序需要用汇编程序将其翻译成目标程序。人们通常用高级程序设计语言编写程序，如C语言、Java语言、C++、C#、Python等，这些程序需要通过编译程序或者解释执行程序翻译成机器语言才能被计算机执行。

3.3.2 计算机基本工作原理

在计算机中，有两种信息流：一种是数据信息流，即各种程序、原始数据和中间结果等，这些数据通过输入设备输入到运算器，再存放在存储器中。在运算处理过程中，运算器从存储器读入数据并进行计算，计算的中间结果存入存储器中，或由运算器经输出设备输出。另一种是控制信息流，用户给计算机的各种指令（即程序），也以数据的形式由存储器送入控制器，由控制器经过解释和编译后变为各种控制信号。整个过程由控制器控制完成，控制输入装置的启动或停止，控制运算器按规定次序进行各种运算和处理，控制存储器的读或写，控制输出设备输出结果等。

“存储程序、程序控制”计算机工作原理中，指令的执行过程可以分为如下几个步骤：

①取指令。根据CPU中的程序计数器中所指出的地址，从内存储器中取出要执行的指令，送到控制器内部的指令寄存器暂存，同时使程序计数器指向下一条指令的地址。

②分析指令。将存放在指令寄存器中的指令送到指令译码器中进行分析，确定该条指令要执行什么操作。

③执行指令。根据分析的结果，由控制器发出完成该操作的控制信息，并完成该指令所要求的操作。

接下来，再取出第二条指令，在控制器的指挥下完成规定操作。如此反复循环进行，直至程序结束指令才停止执行。这一原理确定了计算机的基本组成和工作方式，如图 3-5 所示。