前言

看了網上的一些描述CPU執行程序的過程，發現他們涉及到的內容太多了，恨不能把整個CPU的底層結構都拿出來說，這對計算機理論知識匱乏的新人甚至是一些老人都是非常不友好的。這個問題也是當初攔在我面前的一只大老虎，把這個原理寫出來也有助于我自己的深入理解。

YouTube上的一個視頻How does CPU execute program，是一個很好的CPU執行程序原理的總結，英文水平還行的人建議看原視頻，就不用聽我瞎BB了。雖然沒有字幕，如果能看懂里面的PPT，就基本能理解了。

以下內容主要是將視頻內容大致解釋一下，是寫給英文水平欠缺一點或者沒辦法看原視頻的人看的。如有錯誤，歡迎指正。

相關術語

RAM：指內存，斷電后內容無法保存，因此叫做易失性存儲；另一個相關的概念是ROM，一般指外存，例如硬盤。RAM的速度遠快于ROM，CPU與內存直接進行數據交換。

CPU：計算機的所有計算操作都由它執行，只要先記住它是一塊有輸入和輸出的集成電路就行了。

Instruction：指令，是CPU進行操作的基本單元，大致包含操作對象、操作對象的地址、對操作對象進行何種操作。

RAM相關結構

程序要想被CPU執行，首先要被編譯成CPU可以執行的指令操作，這里就不詳細介紹，本文就假設程序已經被編譯好了，放在了內存中。內存中存放的數據分為兩類，一類是指令；另一類是數據，不管是指令還是數據都有其對應的地址。

下圖就是接下來我們將會涉及的內存結構，這是從視頻中直接截取下來的，大家將就著看。

在上圖中，現在已經存放了地址為100、104、108、112的一系列指令；地址為2000、2004、2008的一系列數據。

CPU相關結構

這里只放出CPU的執行指令時涉及的基本結構，真實的情況還會復雜很多。

這里涉及到的結構有Program Counter（程序計數器）、Instruction Register（指令寄存器）、Data Register（數據寄存器）、ALU（算數邏輯單元），可以將計數器、寄存器都可以簡單理解為存放數據的器件。上述程序計數器用來存放指令的地址；指令寄存器用來存放指令（初學者可能會搞混數據和地址的區別，稍加區分就可以分辨）；數據寄存器存放參與計算的數據，下圖中的A、B、C都是數據寄存器；ALU就是用于計算的器件。

執行過程

本文內容為便于理解，僅涉及到CPU和內存間的數據交換。

在了解了RAM和CPU相關結構之后，接下來就可以正式開始說明執行的過程，其實就是對以上敘述內容的一個組合。

1. 程序計數器初始內容為100，指向內存中的某一項指令，注意100指的是地址；
2. 指令寄存器根據程序計算器的指向地址，將內存中地址為100的指令抓取到自身，此時存放LOAD A，2000；
3. CPU按照指令內容，將內存地址為2000的數據，上載到數據寄存器A中，此時CPU和RAM的狀態如下圖所示；
4. 以上3步已完成一個指令的基本操作步驟。接下來程序計數器依次指向104指令地址、108指令地址、112指令地址，分別完成將2004地址的數據賦值給B數據寄存器；ALU將A、B內的數據相乘賦值給C數據寄存器；將C數據寄存器數據寫入內容地址2008中。
   
5. 這樣就完成了50×0.1這個簡單程序的計算，最后CPU和RAM所處狀態如下圖所示。