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计算机组成原理———CPU指令周期精讲

news 来源：原创 2025/5/13 15:27:20

第一部分：指令周期的基本概念🍕🍕🍕

定义：取出并执行一条指令或解释一条指令所需要的全部时间
分类：可以分为取指周期和执行周期

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第二部分：指令的具体分类🍕🍕🍕

具体到每条指令，指令周期也各不相同，具体可以分为如下几种

第一种：有些指令只包含取指周期不包含执行周期💙💙💙
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NOP就属于这种指令，NOP指令表示执行空操作

第二种：取值周期和执行周期时间基本相等💙💙💙
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ADD mem这条指令从内存单元mem中取出数据和acc中的数据进行加法运算，结果保存在acc中，取指周期取指令需要访问一次内存，把指令从内存单元中取出送到CPU，执行周期取数据需要访问一次内存，取出操作数送到CPU当中并执行加法操作，取指周期和执行周期时间基本一致，因为主要时间集中在访存上

第三种：执行周期远大于取指周期💙💙💙

在这里插入图片描述比如乘法操作的时钟周期比较复杂，相应的执行周期就比较长

第四种：具有间接寻址的指令💙💙💙
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间接寻址的指令周期通常比较长，因为需要两次访存，第一次取出操作数地址，第二次取操作数
相当于指针，会多出一个间址周期，即取出操作数的地址

第五种：带有中断周期的指令💙💙💙
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执行周期结束后可能要响应中断，然后进行保护断点，形成中断服务程序的入口地址和硬件关中断三个操作。
需要注意两点：
（1）取指周期取的数据实际上是指令，送到IR当中
（2）间址周期取的是地址，送到IR的地址码部分或者送到MDR的地址码部分，取操作数读出来的数据存到cpu的寄存器当中为后续操作做准备，程序断点保存在内存单元指定位置，标志处于哪个阶段

第三部分：指令周期流程🍕🍕🍕

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这只是一个大致的流程图，并不是实际的数据流图，流程大致可以判断为，取指周期判断是否采用了间接寻址的方式，如果有就进入间址周期，如果没有或者间址周期完成就进入到执行周期，执行周期结束判断有没有中断请求，如果有进入中断周期，中断周期结束或者没有中断请求就进入到下一条指令的取指周期，开始新一轮的循环

第四部分：CPU工作周期的标志🍕🍕🍕

根据访存性质的不同，我们可以把CPU的工作周期分成下面四个周期
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并采用如上图所示的符号对CPU工作的四个周期进行标识

第五部分：指令周期的数据流🍕🍕🍕

第五部分是本节的重点，我们放到最后来讲

🍔🍔🍔（1）取指周期数据流

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取指阶段用到pc,pc提供下一条要取的指令的内存地址，要访问存储器，存储器的地址就要保存在MAR中，数据保存在MDR中，取指周期取回的是指令保存在IR当中，这些是由CU控制的

数据流从PC开始到MAR，经过地址总线送到存储器，这个时候存储器已经知道了指令地址，读命令由CU控制，CU把信号送到控制总线上，再由控制总线送到存储器，存储器执行读操作把相应的数据送到总线上，通过数据总线再送到MDR，这时候指令已经送到CPU并保存在MDR中，IR专门保存指令，所以指令还要由MDR送入到IR中

下一条指令的地址保存在PC里如果没有跳转的话，下一条指令的地址就是当前PC值+1，由CU控制，CU把P加一之后的PC值保存在PC中，为下一条指令的取指操作做准备

🍔🍔🍔（2）间址周期数据流

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间址周期数据流，间址周期说明当前要执行的指令采用的是间接寻址的方式，指令所需要的操作数的地址保存在指令的地址码部分，起始操作可以从MDR或者IR开始，把地址码部分送给MAR进行内存单元的访问，MAR把地址送到地址总线通过地址总线送给存储器，CU把信号送到控制总线，再由控制总线送到存储器，存储器执行读操作把数据送到数据总线，这个数据实际上是操作数所在内存单元的地址，这个地址送到MDR中，这个时候MDR就真正保存了操作数所在内存单元的地址

🍔🍔🍔（3）执行周期数据流

不同指令的执行周期数据流不相同，我们不做统一分析

🍔🍔🍔（4）中断周期数据流

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把程序断点保存在某一个地址单元当中，由CU决定把程序断点保存在内存单元的哪个地址，CU给出地址放到MAR当中，传送给地址总线再传送给存储器，CU发出，信号送到控制总线再送给存储器，中断之后要执行的下一条命令保存在PC中，所以保存断点就是保存当前PC的值，pc的值送到MDR中，经过数据总线保存到存储器的存储导员中，这是第一步保存断点