中央处理器——指令执行过程

本是古典何须时尚 2022-10-15 08:57 175阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  指令周期
 *   *  几种常见的指令周期
     *  指令周期流程
     *  指令周期的数据流
     *   *  取指周期
         *  间址周期
         *  执行周期
         *  中断周期
     *  指令执行方案
     *   *  方案1．单指令周期
         *   *  缺点：
         *  方案2．多指令周期
         *   *  缺点：
         *  方案3．流水线方案
     *  本章小结

# 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。  
**指令周期**常常用若干**机器周期**来表示，机器周期又叫**CPU周期**

一个**机器周期**又包含若干**时钟周期**（也称为节拍、T周期或CPU时钟周期，它是CPU操作的**最基本单位**）。

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。如下图可分为定长的机器周期与不定长的机器周期。  
CLK：时钟脉冲  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 几种常见的指令周期 ##

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。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 指令周期流程 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
四个工作周期都有CPU访存操作，只是访存的目的不同。

1.  取指周期是为了取指令
2.  间址周期是为了取有效地址
3.  执行周期是为了取操作数
4.  中断周期是为了保存程序断点。

这四个周期在计算机内部是用触发器控制的

触发器，可以存放1个二进制位。

CLK（时钟脉冲）通过判断四个触发器的状态来判断该指令执行的是哪个周期。具体状态判断如下图  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

## 指令周期的数据流 ##

### 取指周期 ###

取指周期步骤：

1.  当前指令地址送至存储器地址寄存器，  
    记做：`(PC) → MAR`
2.  将MAR所指主存中的内容经数据总线  
    送入MDR，记做：`M(MAR) → MDR`
3.  CU发出控制信号，经控制总线传到主  
    存，这里是读信号，记做：`1 → R`
4.  将MDR中的内容(此时是指令)送入IR，  
    记做：`(MDR) → IR`
5.  CU发出控制信号，形成下一条指令地  
    址，记做：`(PC)+1 → PC`

具体数据流向图如下图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

### 间址周期 ###

间址周期步骤：

1.  将指令的地址码送入MAR，  
    记做：`Ad(IR) → MAR`  
    或`Ad(MDR) → MAR`
2.  CU发出控制信号，启动主存做读操作，  
    记做：`1 → R`
3.  将MAR所指主存中的内容经数据总线  
    送入MDR，记做：`M(MAR) → MDR`
4.  将有效地址送至指令的地址码字段，  
    记做：`(MDR)→ Ad(IR)`

### 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。

不同指令的执行周期操作不同，因此没有统一的数据流向。

### 中断周期 ###

中断：暂停当前任务去完成其他任务。

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表示栈顶地址，假设**SP指向栈顶元素**，进栈操作是**先修改指针**，**后存入数据**。

中断周期步骤：

1.  CU控制将SP减1，修改后的地址送入MAR  
    记做： `(SP)-1 → SP`，`(SP) → MAR`  
    本质上是将断点存入某个存储单元，假设其  
    地址为a，故可记做：`a → MAR`
2.  CU发出控制信号，启动主存做写操作，  
    记做：`1 → W`
3.  将断点(PC内容) 送入MDR，  
    记做：`(PC) → MDR`
4.  CU控制将中断服务程序的入口地址  
    (由向量地址形成部件产生)送入PC，  
    记做：`向量地址→ PC`

## 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。

### 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。

#### 缺点： ####

对于那些本来可以在更短时间内完成的指令，要  
使用这个较长的周期来完成，会降低整个系统的  
运行速度。

### 方案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 。

#### 缺点： ####

需要更复杂的硬件设计。

### 方案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

例如这个样子  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

## 本章小结 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTUyNTI3Mg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

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