摘要：本文从数据流视角，剖析CPU执行指令的核心过程：取指、间址、执行。我们将一步步追踪数据如何通过PC、MAR、MDR、IR等寄存器与三大总线协同工作，完成一条指令的使命。
什么是“指令执行过程”
首先，我们需要解释什么是“指令执行过程”——在CPU内部，一条指令从取出，到执行完毕的所有过程，就是“指令执行过程”。
为了更轻松地理解这个概念，我们需要使用计算机工程中强大的工具——“分而治之”，把整个指令执行过程切割成 4 个部分：什么是“指令执行过程”
其中，又可以再切割为和（为什么我们要把它们两个合起来统称为呢？因为需要需要访存，相对耗时多。而直接在CPU内部完成，相对耗时极少。所以我们把它们两个合并，这样计算会更简单）。
需要注意的是，以上 4 个阶段中，只有和是每一条指令都有的。而其余两个阶段，只在有需要的时候才会有。
后面，我们会详细的介绍在每一个阶段中，数据流（Data Flow）是怎么样的（也就是从数据的角度看，数据会经过哪里。与之对应的是“从控制信号的角度看”，这种方法称之为“控制流”，但本文不涉及）。
取指阶段
取值阶段的目标，是把“指令”从“内存”中拿到“IR（Instrucion Register）”中去。
知道了目标，问题就随之而来：内存中有那么多条指令，我们怎么知道哪一条是我们所需要的？
——PC（Program Counter）中保存的那一条（保存的是地址，我们需要根据这个地址去取出里面的指令）。
所以取指令的第一步就是：PC把肚子里的地址交给MAR。然后MAR通过地址总线交给内存（PC和内存之间，没有专线。而PC唯一可以传出自己肚子里数据的人，就是MAR。而MAR想要和内存沟通，就必须通过中介——地址总线）。
此时我们已经根据 PC 传来的地址，在内存中定位到了我们需要的指令。现在，我们取出这个地址的指令，将其传给 IR。
首先，需要 CU（Control Unit）发出控制信号，要求内存返回数据给 IR。当内存收到控制信号后，开始准备把数据传给 IR。
而就像 PC 需要使用 MAR 和”地址总线“来链接”内存“一样。”内存“想链接 IR 也一样，也需要类似的操作，先通过 ”数据总线“ 把指令交给 MDR，然后由 MDR 交给 IR。
上面步骤完成后，取值操作只需要最后一步就完成了——CU发出控制信号，要求 PC + ”1“（这里的 ”1“ 是指 1 个数据单元的大小），为取下一条指令做好准备。
由此我们也可以看出来，控制器想和内存交流，就必须通过 3 条总线（内部多总线方式）：
地址总线：从 ”控制器“ 传 ”地址“ 给 ”内存“
数据总线：从 ”内存“ 传 ”数据“ 给 ”控制器“
控制总线：从 ”控制器“ 发 ”控制信号“ 给 ”内存“
间址阶段
间址阶段的主要任务是问路（获取操作数的有效地址）。在取指阶段后，IR中拿到了一条 “间接寻址” 指令。这条指令告诉我们：“操作数不在我这里，你去XX地址（我们称为 A）找一个纸条，纸条上写的就是操作数的真实地址”。
所以，我们需要把地址 A 从 IR 肚子里交给 MAR，让它去内存里找到这个地址 A，取出里面的 “纸条”（也就是有效地址 EA），并把这个 “纸条” 带回来，放进 MDR 里。
需要注意的是：这个 “纸条”（有效地址 EA）是交给 MDR 保管的（而不像 ”取值阶段“ 一般，交给 IR ），不会覆盖 IR 肚子里的原始指令。IR必须牢牢记住自己最初的任务是什么。
接下来，执行阶段就可以拿着MDR里的“纸条”（地址EA），去找到真正的操作数了。
执行阶段
执行阶段中，我们需要去取操作数，然后根据 IR 中的指令，去指挥 ALU（Arithmetic Logic Unit）对操作数进行相应的操作。因为不同的指令对应的操作都不相同，所以没有统一的数据流，但万变不离其宗，其核心都是根据 IR 中的指令，由 CU 产生控制信号，指挥 ALU 对操作数进行运算，并将结果送达目标位置（寄存器或内存）。
中断阶段
至此，我们已经详细剖析了指令周期中的取指、间址和执行三个阶段。指令周期还有一个重要的阶段——中断周期，它负责处理来自外部设备的异步请求。
因为在我使用的教材中，这一章被安排到非常靠后的位置，所以目前还没有学到这一部分。等后续学习透彻后，会再写新文章来专门分享中断机制的原理和数据流。
总结
在 CPU 执行指令中，PC 负责报地址，MAR 和 MDR 负责跑腿搬运，IR 牢牢记住要做什么，为控制单元提供执行的依据，ALU 埋头苦干。而地址、数据、控制三条总线则是 ”控制器“ 和 ”内存“ 之间的交流器。
