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# 5.2 指令执行过程
## 5.2.1 指令周期
{% hint style="success" %}
指令周期：CPU从主存中取出并执行一条指令的全部时间。
{% endhint %}
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
{% hint style="success" %}
根据PC的内容从主存中取出指令并存入IR
{% endhint %}
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
{% hint style="success" %}
取操作数的有效地址
{% endhint %}
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
{% hint style="success" %}
取操作数，根据IR中的操作码进行相关运算
{% endhint %}
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
{% hint style="warning" %}
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。
{% endhint %}
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**。