1.2 · Fetch–Decode–Execute 循环

目标： 描述机器循环每一步以及每个寄存器与总线的角色。

三句话讲循环

1. 从内存**取出（Fetch）**下一条指令。
2. **解码（Decode）**它的含义。
3. **执行（Execute）**它。

…循环数十亿次每秒，直到关机。

详尽步骤

下面是经典逐步。背顺序、涉及的寄存器、用的总线。

#	步骤	涉及寄存器 / 单元	总线
1	PC 的值复制到 MAR。	PC → MAR	—
2	MAR 中的地址送到内存。	MAR	地址总线
3	内存回送该地址的指令；进入 MDR。	Memory → MDR	数据总线
4	MDR 的内容复制到 IR。	MDR → IR	—
5	PC 递增，指向下一条指令。	PC = PC + 1	—
6	控制单元解码 IR 中的指令。	CU	—
7	如需操作数，对每个操作数重复 1–4。	—	地址 / 数据
8	ALU 执行操作；结果放到 ACC 或其他寄存器。	ALU → ACC	—
9	状态寄存器（零、进位、溢出）被更新。	状态寄存器	—
10	若指令要写内存，载入 MAR & MDR 并发写信号。	MAR/MDR	地址 / 数据 / 控制
11	从第 1 步循环。	—	—

三条总线

总线	携带	方向
地址总线	被访问的地址	CPU → 内存（单向）
数据总线	实际数据	双向
控制总线	读、写、中断等信号	双向

实例 · 两数相加

设内存内容：

地址  内容
0     LOAD  5      ; 把地址 5 的值加载到 ACC
1     ADD   6      ; 把地址 6 的值加到 ACC
2     STORE 7      ; 把 ACC 存到地址 7
5     10
6     20
7     ?

逐循环（压缩版）：

循环	动作
1	取 LOAD 5。从地址 5 读 10 到 ACC。ACC = 10
2	取 ADD 6。从地址 6 读 20，加到 ACC。ACC = 30
3	取 STORE 7。把 ACC（30）写到地址 7。地址 7 现为 30

三个循环后，地址 7 持有结果之和。

循环为何在现实中重要

• 时钟更快 → 每秒更多循环 → 更多工作。
• 总线更宽 → 每次传输更多数据 → 大数据少用循环。
• 寄存器更多 → 少读内存 → 不浪费时间等慢 RAM。

常见误解

• 「每条指令耗一个循环。」现代 CPU 流水线一次执行多条指令，但概念循环仍是 HKEAA 用的模型。
• 「数据总线只搬一字节。」总线宽度多变：8、16、32、64 位。
• 「内存和 CPU 是同一颗芯片。」现代芯片上 L1/L2 cache 在 CPU die 上，但主 RAM 独立。

考试式题目

题（5 分）： 概述 fetch–decode–execute 循环各步，识别 PC、IR、MAR、MDR 和系统总线的角色。

参考答案：

1. 程序计数器 (PC) 保存下一条指令的地址。
2. PC 的值复制到 MAR，放到地址总线上以指明要读的内存位置。
3. 内存透过数据总线回送指令到 MDR。
4. MDR 的内容复制到 IR 以备解码。
5. PC 递增指向下一条指令。
6. 控制单元解码 IR 中的指令。
7. ALU 执行操作；结果可放 ACC 或经 MAR / MDR 写回内存。

控制总线承载协调每步的读 / 写信号。

关键要点

• Fetch → Decode → Execute，重复。
• 五个寄存器：PC、IR、MAR、MDR、ACC。
• 三条总线：地址、数据、控制。
• 速度 = 时钟 × 每周期指令数，由总线宽度与内存时延调节。

➡️ 下一节：1.3 内存类型