5-2中央处理器-指令周期的数据流
文章目录
- 一.指令周期
- 二.数据流向
-
- 1.取指周期
- 2.间址周期
- 3.执行周期
- 4.中断周期
- 三.指令执行方案
-
- 1.单指令周期
- 2.多指令周期
- 3.流水线方案
一.指令周期
指令周期：CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。
此处：取指周期=取指令+指令译码
指令周期常用若干机器周期/CPU周期表示，一个机器周期包含若干时钟周期/节拍/T周期/CPU时钟周期，时钟周期是CPU操作的最基本单位
回顾：CPU执行时间=时钟周期数×时钟周期=CPI×指令条数×时钟周期
可以看出，每个指令周期内机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。下面进行举例
1.空指令NOP
取指令，不进行操作。即指令周期=取指周期（包含取指周期和分析指令）。包含1个机器周期
2.加法指令ADD
指令周期=取指周期+执行周期
包含2个机器周期，两个机器周期包含的节拍数可能不同
（若为乘法指令，则执行周期更长）
3.具有间接寻址的指令
指令周期=取指周期+间址周期+执行周期
包含3个机器周期，三个机器周期包含的节拍数可能不同
（图：一次间接寻址）
4.带有中断周期的指令
指令周期=取指周期+间址周期+执行周期+中断周期
每一条指令末尾都要检查中断
包含4个机器周期，四个机器周期包含的节拍数可能不同
总结
可以通过触发器判断当前处于那个周期
二.数据流向
1.取指周期
把PC中的内容从主存取出指令代码并存放到IR中，可能因为取指令进行访存。
数据流向：
①PC指向的内容通过地址总线传送到MAR，即(PC)→MAR
②CU通过控制总线给主存发出控制信号（如：读信号）
③主存储器根据MAR记录的地址信息去存储体中找出该地址对应的二进制数据，通过数据总线将数据放到MDR中，即M(MAR)→MDR
④MDR中的指令通过内部总线放到IR（此处MDR属于CPU），即(MDR)→IR
⑤每取出一条指令，CU发出控制信号，形成下一条指令地址，让PC指向，即(PC)+"1"→PC
或
PC→MAR→地址总线→主存
CU发出控制信号→控制总线→主存
主存→数据总线→MDR→IR
CU发出读命令→PC内容加1
2.间址周期
间址周期的任务是取操作数的有效地址，可能因为取有效地址而访存。
数据流向：
①将指令中的地址码Ad送到MAR并送至地址总线，即Ad(IR)→MAR→地址总线
注：此处的IR可改为MDR，二者当前存放相同的内容
②CU通过控制总线发出控制信号（如读命令）给主存，即CU发出控制信号→控制总线→主存
③主存储器根据MAR记录的地址信息去存储体中找出该地址对应的二进制数据，通过数据总线将数据放到MDR中，即M(MAR)→MDR
④将有效地址送至指令的地址码字段，即(MDR)→Ad(IR)
3.执行周期
执行周期的任务是根据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。可能因为取操作数而访存
不同指令的执行周期操作不同，没有统一的数据流向
4.中断周期
暂停当前任务去完成其他任务，可能因为保存程序断电而访存
为了能够恢复当前任务，需要保存断点。一般使用堆栈来保存断点，这里用SP指向栈顶存储单元的地址，堆栈的地址空间从高到低排列，假设SP指向栈顶元素，进栈时SP-1，再存入数据。
数据流向：
PC自动加“1”，指向下一条待执行指令，此时发送中断。为保存断点，需将PC的值压入主存，然后转向指向中断处理程序
①CU控制SP-1，在当前SP指向的地址插入PC，需将SP所指向的地址送MAR并送至地址总线，即(SP)-1→SP、(SP)→MAR
②CU通过控制总线发出控制信号（写命令）给主存，即CU发出写命令→控制总线→主存
③将PC写入主存，即(PC)→MDR→数据总线→主存
④CU将PC改为中断处理程序的第一条指令地址，即CU→PC
三.指令执行方案
一个指令周期通常要包括几个时间段（执行步骤），每个步骤完成指令的一部分功能，几个依次执行的步骤完成这条指令的全部功能。
可以选用3种方案来安排指令的执行步骤：
1.单指令周期
所有指令选用相同的执行时间。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才能启动。为保证每条指令都在固定的时钟周期内完成，在设计执行时间时需选择最长指令的执行时间，这样会导致本来可以在更短时间内完成的指令，要使用较长的周期来完成，降低了整个系统的运行速度。
2.多指令周期
对不同类型的指令选用不同的执行步骤。指令之间串行执行，但不再要求所有指令占用相同的执行时间，即按需分配。但需要更复杂的硬件设计，成本较高。
3.流水线方案
指令之间可以并行执行的方案。该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。其追求的目标是力争在每个时钟脉冲周期完成一条指令的执行过程。
- 解释时钟周期，指令周期，机器周期以及它们之间的关系
①CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期，指令周期常由若干机器周期组成；②机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作所需的时间，如取指令、取有效地址、执行指令。通常机器周期长度=主存周期。一个机器周期包含若干时钟周期；③时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是CPU操作的最基本单位，对应完成一个微操作所需的时间，通常时钟周期=计算机主频的倒数。 - 计算机的一条指令有几个机器周期？
一条指令包含的机器周期最多有4个。如空指令包含1个，加法指令包含2个，具有间址寻址的指令包含3个，再带有中短周期的指令包含4个。 - 什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？
指令周期是指取出并执行完一条指令所需的时间。由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此为了提高CPU运行效率，即使在同步控制的机器中，不同指令的指令周期长度都是不一致的，也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。