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。
- 取指周期是为了取指令
- 间址周期是为了取有效地址
- 执行周期是为了取操作数
- 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:
- 当前指令地址送至存储器地址寄存器,记做:(PC) → MAR
- 将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR,记做:M(MAR) → MDR
- 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
- 将MDR中的内容(此时是指令)送入IR,记做:(MDR) → IR
- 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:
- 将指令的地址码送入MAR,记做:Ad(IR) → MAR或Ad(MDR) → MAR
- CU发出控制信号,启动主存做读操作,记做:1 → R
- 将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR,记做:M(MAR) → MDR
- 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:
- 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
- CU发出控制信号,启动主存做写操作,记做:1 → W
- 将断点(PC内容) 送入MDR,记做:(PC) → MDR
- 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