CPU的核心部件

CPU执行程序的过程可以拆成取指令、译码、执行、写回几步，每一步由不同的部件承担。Simple-MIPS是32位架构：内存按字节编址，一条指令固定占4字节，通用寄存器也都是32位。下表给出四个核心部件的分工。

PC保存的是地址而不是指令本身；指令从内存取回后才放进IR。这两个部件都与“当前执行到哪条指令”有关，区别在于PC指向下一条，IR保存当前这一条。

PC存储下一条要执行的指令的内存地址。可以把它想成读书时的书签，标记下一次从哪里继续。顺序执行时，它在取指后增加4：一条Simple-MIPS指令是32位，即4字节，下一条指令正好在相邻的4字节之后。分支和跳转指令会直接改写PC，顺序执行、循环和条件分支都靠这一点实现。

PC只负责提供地址，不判断该地址上是什么内容；取回指令之后的工作由IR和控制单元接手。

取指时，内存按PC给出的地址送回32位指令，这条指令先放进IR，再由控制单元译码并发出执行信号。IR只保存当前这一条指令，取下一条时会覆盖它的内容。

一条Simple-MIPS指令的32位通常划分为几个字段：

• 操作码：指出指令类型，例如加载、存储、减法；
• 寄存器编号：指出源寄存器和目标寄存器；
• 立即数或地址偏移：供内存访问或算术运算使用的常数。

ALU是执行运算的部件，通常接收两个操作数，输出一个结果。它处理的运算包括：

• 算术运算：加、减、乘、除；
• 逻辑运算：与、或、非、异或；
• 移位运算：左移、右移，包含逻辑移位和算术移位；
• 比较运算：比较两个数的大小，设置条件标志。

执行哪一种运算由控制单元根据操作码决定。ALU本身不区分当前是哪条指令，它只对送进来的操作数执行被指定的运算。

寄存器是CPU内部的高速存储单元，用来临时存放数据和地址。它的访问通常在1个时钟周期内完成，比内存快得多；数量有限，Simple-MIPS有32个通用寄存器；每个寄存器固定32位。

寄存器按用途有习惯命名：

$zero的值由硬件固定，写入也会被丢弃，因此常用来提供常数0。以上是常见命名，完整编号共32个；寄存器编号如何出现在指令里，见Simple-MIPS教学指令集。

1. PC把地址送到内存，内存返回该地址上的32位指令；顺序执行时PC同时增加4。
2. 指令进入IR，控制单元按操作码译码，确定要读哪些寄存器、做什么运算、是否访问内存。
3. 寄存器组把操作数送入ALU，ALU完成运算；如果指令是load或store，还要由内存完成读写。
4. 结果写回寄存器组，PC已经指向下一条指令。

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sub $t0, $t1, $t2

执行后 $t0的值为5，$t1与 $t2不变。

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逐步执行一条减法指令，查看PC、IR、ALU和目标寄存器的状态。