这篇教程的前三章介绍了计算机的组成，存储器与运算器的搭建以及如何把它们连接起来。在这章中，我们将制作一个发号施令的控制器，并编写和运行我们的第一个程序。
指令周期与程序计数器
程序是一系列按照顺序排列的指令。指令指示了在当前步骤CPU具体需要做什么，例如是将两个数相加，还是将数据从内存中载入到寄存器。在计算机开机时，程序以一系列指令的形式被载入到计算机的内存中。
计算机使用程序计数器来追踪程序运行到了哪里。程序计数器是保存当前指令内存地址的寄存器。每次开机时程序计数器将会重置并指向程序的第一条指令。当一条指令运行完毕后程序计数器将会将自身的值+1，指向内存中下一条指令。人为修改程序计数器的值可以改变程序的运行位置。这样做可以实现跳转操作，例如在执行完最后一条指令后跳转回程序头再次执行程序。这种执行方式叫做循环结构。
计算机执行指令的过程主要有以下四个步骤：
计算机将会重复这四个步骤直到程序运行完毕。下面让我们用一条示例程序进行具体演示。
在执行这条程序前，我们需要首先将程序按照左侧的内存地址加载到内存中。在我们的红石计算机中，程序已经被提前编写进内存中。
复位
在开机以后，计算机向所有部件发送复位信号。串行总线接收器将准备好接收信号，寄存器将会被清空。程序计数器将被重置以指向内存地址0。
取指令
我们的计算机含有两个内存模块分别存储指令和数据。在每个指令周期的开始，程序计数器将保存的值通过内存地址总线发送给两个内存模块。控制器将发送一个取指信号给内存模块。内存模块收到信号后将输出连接到给译码器。至此取指令阶段完毕。
译码器
每条指令都对应了不同的具体操作，例如将当前地址上的数据写入寄存器A（DRDA）可以被分解为以下步骤：数据内存模块将当前数据在数据上广播；控制器在数据地址线上发出控制信号，指定该数据为寄存器A接收；寄存器A接收到控制信号，目标地址与自身id一致，更新自身数据。
将指令转换为具体操作，并依次在总线上发出控制信号的结构被称为译码器。首先，指令将被送入连接着所有译码器单元的多路复用器。多路复用器根据不同指令激活对应的译码器单元。单个译码器单元包含一系列预先编码的总线发送器。当接收到上一个器件发出的“执行完成”信号后，译码器将发送下一个信号。译码器的结构如下图：
图中为多层译码器的最顶层。图片的最右侧是八位多路复用器，图片中已设置为0001 0000指令。要往控制总线上发送的执行者id通过木块设置，从右往左分别是0000 1011,0000 1001,0001 0000和0010 0011。必要的数据写回也将在这一阶段完成。四个发送器都发送完毕后将会给程序计数器脉冲信号，代表本指令结束，进入下一个取指周期。
指令集与图灵机
指令集是CPU设计可运行的所有指令的集合，描述了所有可以被执行的操作。指令分为操作码和操作数两部分。前者描述要执行的操作，后者为所需要的补充信息。
例如在下图的指令集中，WRA 0001 1001代表一条操作码为WRA的指令（传送数据进寄存器A），操作数0001 1001代表要传送的数据在数据内存中的地址。
直接使用二进制来写的程序会难以阅读。与其直接记录二进制，我们不妨使用指令的名称来代替。这种编程方式被称为汇编。
指令集根据长度等特点分为很多种。在我们的示例中，操作码和操作数为固定的八位长度。它被称为十六位定长指令集（操作码和操作数加起来是十六位）。
现实生活中的大部分计算机为图灵机。图灵机的具体定义设计计算理论相关内容，具有图灵完备性的计算机能够执行所有的计算问题，具有一下基本操作：将线性的内存空间看做一条可以用来记录数据的纸带，计算机能够操作当前内存，进行值的修改（自增，减少，清零等），能够具有控制流操作（进行判断），能够进行循环（跳转回特定位置）等操作。对应到具体指令中则包括了条件判断（如果满足…条件则执行…），跳转（运行到这里时，跳转回程序头继续执行）。
我们已经实现了对数据的操作，让我们了解一下控制操作如何进行。
跳转与循环
循环结构是编程避不开的话题。在程序中实现循环需要跳转指令，即跳转到指定程序位置再继续运行。如果你写过visual basic等语言，你应该对goto关键字很熟悉——它们所作的事情基本一样。
程序中的跳转需要依靠程序计数器实现。程序计数器保存了当前执行到的代码位置，将程序计数器的值改为要跳转到的位置就能实现跳转。程序计数器中的值被改变后，计算机将会根据改变后的新值进行取指令操作。
没有条件的循环就是死循环，我们的程序会卡在里面反复执行，直到因为溢出等错误停下来。要跳出循环，我们可以对跳转指令加入判断，或者，在满足特定条件时跳过跳转指令。
编程中常见的判断可以用一些巧妙的方法来实现。加法器可以用来实现比大小类的判断。将一个数与另一个数的相反数相加（还记得怎样对负数进行运算吗？第二章中有讲解），结果如果为零可以确定两个数相等；将一个数与另一个数的负数相加，判断结果是否为负数（看补码的第一位！）就能实现比大小的操作。
附：教程中的红石计算机的实际工作视频。