5.02指令的执行过程

指令周期：CPU从主存中取出并执行一条指令的时间

不同指令的指令周期可能不同。指令周期常用若干 机器周期 表示

CPU周期，又称为机器周期

一个机器周期包含若干个时钟周期

时钟周期，又称节拍、T周期

1. 每个指令周期的机器周期数可能不同，每个机器周期的时钟周期数也可能不同，故不同的指令周期长短可能不同
2. 一个完整的指令周期包括取指、间址、执行、中断四个部分。由4个标志触发器(FE、IND、EX、INT)区分不同的工作周期，1表示有效。
   即CLK=1000、0100、0010、0001分别对应四个周期

指令周期的数据流

取指周期

目的：根据PC中存放的指令地址，到主存中取出对应的指令

1. (PC)→MAR：当前指令的地址，送到MAR中
2. 1→R：控制器向主存发出 读 控制信号
3. M(MAR)→MDR：将MAR所存地址在对应主存中的内容(指令)写入MDR
4. (MDR)→IR：将MDR中存放的指令送到指令寄存器IR中
5. (PC)+1→PC：PC的内容加1，形成下一条指令的地址

间址周期

目的：取操作数的有效地址

1. A(IR)→MAR：指令寄存器的形式地址送到MAR
2. 1→R：控制器向主存发出读控制信号
3. M(MAR)→MDR：将MAR所存地址在对应主存中的内容(操作数)写入MDR

执行周期

目的：根据IR中的操作码字段和操作数通过算数逻辑运算产生执行结果
不同的指令的执行周期操作不同，故没有统一的数据流向

中断周期

目的：处理中断请求
假设断点地址为a

1. (SP)-1→SP，(SP)→MAR：CU控制栈顶指针移动，并将栈顶指针目前的内容(即新的栈顶地址，也即断点位置)给MAR
   a. 假设栈顶断点地址为a，则可以直接a→MAR，替代上述过程
2. 1→W：控制器向主存发出写控制信号
3. (PC)→MDR：将断点(PC的内容)送入MDR，至此断点保存完成
4. 向量地址→PC：CU控制将中断服务程序入口(由向量地址形成部件产生)地址送入PC

指令的执行方案

单指令周期

1. 所有的指令都在固定的时间内完成
2. 指令之间串行执行。即下一条指令只能在前一条指令执行结束后执行
3. 指令周期取决于执行时间最长的指令

多指令周期

1. 不同指令选用不同的执行步骤完成
2. 指令之间串行执行
3. 不同指令的指令周期不同

流水线方案

1. 指令之间可以并行执行
2. 在每个时钟周期启动一条指令，尽量让多条指令同时运行，但各自处在不同的执行步骤中
3. 目标是力争每个时钟周期内完成一条指令的执行过程(理想情况下才能实现)