5.2 指令执行过程

5.2.1 指令周期

指令周期：CPU从主存中取出并执行一条指令的全部时间。

一个指令周期由若干机器周期表示，机器周期也叫CUP周期。

一个机器周期包含若干时钟周期（节拍），时钟周期是CPU操作的最基本单位。

• 每个指令周期内机器周期可以不相等

• 每个机器周期内节拍数也可以不相等

完整的指令周期如下图所示：

运行时，通过触发器来判断当前处于指令周期内的哪一个阶段。

5.2.2 指令周期的数据流

1、寻址周期

根据PC的内容从主存中取出指令并存入IR

1. 将当前指令地址送到存储地址寄存器

   1. $\text{(PC)} \to \text{MAR}$

2. CU发出控制信号，由控制总线传到主存，标明是读信号

   1. $1 \to \text{R}$

3. 将MAR指向的主存中的内容经数据总线传至MDR

   1. $\text{M(MAR)} \to \text{MDR}$

4. 将MDR中的数据送入指令寄存器IR

   1. $\text{(MDR)} \to \text{IR}$

5. CU发出控制信号，形成下一条指令的地址

   1. $\text{(PC)}+1 \to \text{PC}$

2、间址周期

取操作数的有效地址

1. 将指令的地址码送入MAR

   1. $\text{Ad(IR)} \to \text{MAR}$

2. CU发出控制信号，表示读操作

   1. $1 \to \text{R}$

3. 将MAR所指主存中的内容传入MDR

   1. $\text{M(MAR)} \to \text{MDR}$

4. 将得到的有效地址送入IR

   1. $\text{(MDR)} \to \text{Ad(IR)}$

3、执行周期

取操作数，根据IR中的操作码进行相关运算

执行周期的数据流向视不同指令而定，没有统一的数据流向。

4、中断周期

中断执行前需要保存当前程序的断点。

断点一般采用堆栈保存，SP为栈顶指针，进栈的操作顺序为先修改指针，再存入数据。

1. CU控制SP减一，并将修改后的栈顶地址存入MAR

   1. $\text{(SP)-1}\to \text{SP}$

   2. $\text{(SP)}\to \text{MAR}$

2. CU发出控制信号，表明当前为写操作

   1. $1 \to \text{W}$

3. 将断点内容（PC内容）存入MDR

   1. $\text{(PC)} \to \text{MDR}$

4. CU将中断程序的入口地址存入PC

   1. $向量地址 \to \text{PC}$

5.2.3 指令执行方案

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。

会降低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来完成。 指令之间串行执行，可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程。

需要更复杂的硬件设计。

3、流水线方案

在每一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。 指令之间并行执行。