1.2 · Fetch–Decode–Execute 迴圈

目標： 描述機器迴圈每一步以及每個寄存器與總線的角色。

三句話講迴圈

1. 從記憶體**取出（Fetch）**下一條指令。
2. **解碼（Decode）**它的含義。
3. **執行（Execute）**它。

…迴圈數十億次每秒，直到關機。

詳盡步驟

下面是經典逐步。背順序、涉及的寄存器、用的總線。

#	步驟	涉及寄存器 / 單元	總線
1	PC 的值複製到 MAR。	PC → MAR	—
2	MAR 中的地址送到記憶體。	MAR	地址總線
3	記憶體回送該地址的指令；進入 MDR。	Memory → MDR	資料總線
4	MDR 的內容複製到 IR。	MDR → IR	—
5	PC 遞增，指向下一條指令。	PC = PC + 1	—
6	控制單元解碼 IR 中的指令。	CU	—
7	如需操作數，對每個操作數重複 1–4。	—	地址 / 資料
8	ALU 執行操作；結果放到 ACC 或其他寄存器。	ALU → ACC	—
9	狀態寄存器（零、進位、溢出）被更新。	狀態寄存器	—
10	若指令要寫記憶體，載入 MAR & MDR 併發寫訊號。	MAR/MDR	地址 / 資料 / 控制
11	從第 1 步迴圈。	—	—

三條總線

總線	攜帶	方向
地址總線	被訪問的地址	CPU → 記憶體（單向）
資料總線	實際資料	雙向
控制總線	讀、寫、中斷等訊號	雙向

實例 · 兩數相加

設記憶體內容：

地址  內容
0     LOAD  5      ; 把地址 5 的值載入到 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     ?

逐迴圈（壓縮版）：

迴圈	動作
1	取 LOAD 5。從地址 5 讀 10 到 ACC。ACC = 10
2	取 ADD 6。從地址 6 讀 20，加到 ACC。ACC = 30
3	取 STORE 7。把 ACC（30）寫到地址 7。地址 7 現為 30

三個迴圈後，地址 7 持有結果之和。

迴圈為何在現實中重要

• 時鐘更快 → 每秒更多迴圈 → 更多工作。
• 總線更寬 → 每次傳輸更多資料 → 大資料少用迴圈。
• 寄存器更多 → 少讀記憶體 → 不浪費時間等慢 RAM。

常見誤解

• 「每條指令耗一個迴圈。」現代 CPU 流水線一次執行多條指令，但概念迴圈仍是 HKEAA 用的模型。
• 「資料總線只搬一位元組。」總線寬度多變：8、16、32、64 位。
• 「記憶體和 CPU 是同一顆芯片。」現代芯片上 L1/L2 cache 在 CPU die 上，但主 RAM 獨立。

考試式題目

題（5 分）： 概述 fetch–decode–execute 迴圈各步，識別 PC、IR、MAR、MDR 和系統總線的角色。

參考答案：

1. 程序計數器 (PC) 保存下一條指令的地址。
2. PC 的值複製到 MAR，放到地址總線上以指明要讀的記憶體位置。
3. 記憶體透過資料總線回送指令到 MDR。
4. MDR 的內容複製到 IR 以備解碼。
5. PC 遞增指向下一條指令。
6. 控制單元解碼 IR 中的指令。
7. ALU 執行操作；結果可放 ACC 或經 MAR / MDR 寫回記憶體。

控制總線承載協調每步的讀 / 寫訊號。

關鍵要點

• Fetch → Decode → Execute，重複。
• 五個寄存器：PC、IR、MAR、MDR、ACC。
• 三條總線：地址、資料、控制。
• 速度 = 時鐘 × 每週期指令數，由總線寬度與記憶體時延調節。

➡️ 下一節：1.3 記憶體類型