中央处理器——指令执行过程

Posted 2021-05-29 流楚丶格念

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

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。

指令周期流程

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

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：

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)

具体数据流向图如下图所示：

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

具体数据流向图如下图所示：

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

本章小结