计算机组成原理学习笔记——指令的执行

一、指令周期

• CPU 从主存中取出并执行一条指令的时间称为指令周期。指令周期常用若干机器周期来表示，一个机器周期又包含若干时钟周期（节拍或 T 周期，是 CPU 操作的最基本单位）。
  

• 指令周期、机器周期、节拍和时钟周期的关系如上。

• 对于无条件转移指令 JMP X，在执行时无需访存，只含取指阶段和执行阶段，因此其指令周期仅包含取指周期和执行周期。

• 对于间接寻址指令，其过程：访存取操作数有效地址，然后再次访存取出操作数，所以还需包括间址周期（介于取指周期和执行周期之间）。

• 当 CPU 采用中断方式实现主机和 I/O 设备的信息交换时，CPU 在每条指令执行结束前，都要发出中断查询信号，若有中断请求，则 CPU 进入中断响应阶段，又称中断周期。
  所以一个完整的指令周期包括：取指、间址、执行和中断四个周期，如下图：
  

• 为了区别不同的工作周期，在 CPU 内设置 4 个触发器FE、IND、EX 和 INT 分别对应取指、间址、执行和中断周期，以“1”状态表示有效，分别由 1⟶FE、1⟶IND、1⟶EX，和 1⟶INT 这 4 个信号控制。

• 注意：中断周期中的进栈操作是将 SP 减 1，这和传统意义上的进栈操作相反，原因是计算机的堆栈中都是向低地址增加，所以进栈操作是减 1 而不是加 1.

二、指令周期的数据流

• 数据流是根据指令要求依次访问的数据序列。在指令执行的不同阶段，要求依次访问的数据序列是不同的；不同的指令其数据流往往不一样。

1、取指周期

• 此周期的任务是根据 PC 中的内容从主存中取出指令代码并存放在 IR 中，取指后 PC 加 1.如下图：
  
• 图中涉及的数据流有如下几条：
  1）PC⟶MAR⟶地址总线⟶主存
  2）CU 发出控制信号⟶控制总线⟶主存
  3）主存⟶数据总线⟶MDR⟶IR
  4）CU 发出读指令⟶PC 内容加 1.

2、间址周期

• 此时期的任务是取操作数有效地址，对应的相关数据流如下图：
  
• 具体数据流就是：
  1）Ad(IR) 或 MDR ⟶MAR⟶地址总线⟶主存
  2）CU 发出读命令⟶控制总线⟶主存
  3）主存⟶数据总线⟶MDR
• Ad(IR)表示取出 IR 中存放的指令字的地址字段。

3、执行周期

此时期的任务是根据 IR 中的指令字的操作码和操作数通过 ALU 操作产生执行结果，由于不同指令的执行周期不同，所以执行周期没有统一的数据流向。

4、中断周期

• 此时期的任务是处理中断请求，数据流向如下图：
  
• 具体数据流如下几种：
  1）CU 控制将 SP 减 1，SP⟶MAR⟶地址总线⟶主存
  2）CU 发出读命令⟶控制总线⟶主存
  3）PC⟶MDR⟶数据总线⟶主存（程序断点存入主存）
  4）CU（中断服务程序的入口地址）⟶PC

三、指令执行方案

• 一个指令周期通常要包括几个执行步骤，每个步骤完成指令的部分功能；通常有以下几种方案来安排指令的执行步骤：

1、单指令周期

• 对所有指令都选用相同的执行时间来完成，指令之间串行执行，指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。

2、多指令周期

• 对不同类型的指令选用不同的执行步骤来完成，指令之间仍然是串行，但可选用不同的时钟周期来完成不同指令的执行过程，指令需要几个周期就为其分配几个周期，而不要求所用指令的执行时间都一样。

3、流水线方案

• 指令之间可以并行执行的方案，其追求的目标是力争在每个时钟周期完成一条指令的执行过程（理想情况），此方案通过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。

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