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408答疑

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二、指令执行过程

指令周期

定义

CPU 每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期。

指令周期的多样性

由于各种指令操作功能不同，所以各种指令的指令周期可能是不同的。

• 无条件转移指令 JMP X：在执行阶段不需要访问主存，只包含取指阶段（包括取指和分析）和执行阶段，所以其指令周期仅包含取指周期和执行周期，如下图所示。

  • 取指阶段：完成取指令和分析指令的操作，也称取指周期。
  • 执行阶段：完成执行指令的操作，也称执行周期。
    

• 带有间接寻址的指令：为了取操作数，需要先访问一次主存，取出有效地址，然后访问主存，取出操作数，所以还需包括间址周期。间址周期介于取指周期和执行周期之间，如下图所示。

• 带有中断周期的指令：当 CPU 采用中断方式实现主机和 I/O 设备的信息交换时，CPU 在每条指令执行结束前，都要查询中断查询信号，若有中断请求，则 CPU 进入中断响应阶段，也称中断周期。

中断周期的进栈操作是指 SP 减“1”，这和特殊意义的进栈操作相反，原因是计算机中的堆栈都是有低地址向高地址增长的，所以进栈操作变成“1”而不是“1”。

• 这样，一个完整的指令周期可包括取指、间址、执行和中断 4 个周期，如下图所示。

指令执行的过程

• 当 CPU 执行指令时，首先进入取指周期，从 PC 指出的主存储器单元中取出指令，送至指令寄存器，同时 PC 加“1”以作为下一条指令的地址。当遇到转移指令等改变执行顺序的指令时，在 PC 加“1”后会重新计算并更新 PC 值。
• 然后判断是否有间接寻址，若有，则进入间址周期以获取操作数的有效地址。
• 之后进入执行周期，完成取操作数、执行运算和存储结果的任务。
• 执行周期结束后，若 CPU 检测到中断请求，则进入中断周期，此时需要关中断、保存断点，并转至中断服务程序。

注意事项

• 早期的计算机通常采用机器周期、节拍和脉冲三级时序系统，一个指令周期可分为取指令、取操作数、执行、中断响应等工作周期，称为机器周期。
  • 一个机器周期再划分为若干节拍，一个节拍内再设置一个或多个工作脉冲。
  • 每个指令周期内的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。
• 现在的计算机已不再采用上述三级时序系统，机器周期的概念已逐渐消失，CPU 内部的定时信号就是时钟，一个时钟周期就是一个节拍。

指令周期的数据流

• 数据流是根据指令要求依次访问的数据序列。
• 在指令执行的不同阶段，要求依次访问的数据序列是不同的。
• 而且对于不同的指令，它们的数据流往往也是不同的。

取指周期

• 取指周期的任务是根据 PC 中的内容从主存储器中取出指令代码并存放在 IR 中。
• 取指周期的数据流如下图所示。

• PC 中存放的是指令的地址，根据此地址从内存单元中取出的是指令，并放在指令寄存器 IR 中，取指令的同时，PC 加 1。

• 取指周期的数据流如下：

  1. PC $-①\to$ MAR $-②\to$ 地址总线 $-③\to$ 存储器。
  2. CU 发出读命令 $-④\to$ 控制总线 $-⑤\to$ 主存储器。
  3. 主存储器 $-⑥\to$ 数据总线 $-⑦\to$ MDR $-⑧\to$ IR（存放指令）。
  4. CU 发出控制信号 $-⑨\to$ PC 加 1。

间址周期

• 间址周期的任务是取操作数有效地址。
• 以一次间址为例，如下图所示，将指令中的地址码送到 MAR 并送至地址总线，此后 CU 向主存储器发出读命令，以获取有效地址并存至 MDR。

• 间址周期的数据流向如下：
  1. Ad(IR)（或 MDR）$-①\to$ MAR $-②\to$ 地址总线 $-③\to$ 主存储器。
  2. CU 发出读命令 $-④\to$ 控制总线 $-⑤\to$ 主存储器。
  3. 主存储器 $-⑥\to$ 数据总线 $-⑦\to$ MDR（存放有效地址）。

其中，Ad(IR) 表示取出 IR 中存放的指令字的地址字段。

执行周期

• 执行周期的任务是取操作数，并根据 IR 中的指令字的操作码通过 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

• 中断周期的任务是处理中断请求。
• 假设程序断点存入堆栈中，并用 SP 指示栈顶地址，而且进栈操作是先修改栈顶指针，后存入数据，数据流如下图所示。

• 中断周期的数据流如下：
  1. CU 控制将 SP 减 1，SP $-①\to$ MAR $-②\to$ 地址总线 $-③\to$ 主存储器。
  2. CU 发出写命令 $-④\to$ 控制总线 $-⑤\to$ 主存储器。
  3. PC $-⑥\to$ MDR $-⑦\to$ 数据总线 $-⑧\to$ 主存储器（程序断点存入主存储器）。
  4. CU（中断服务程序的入口地址）$-⑨\to$ PC。

指令执行方案

• 一个指令周期通常要包括几个执行步骤，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。
• 不同的处理器采用不同的方案来安排指令的执行步骤。

单周期处理器

• 单周期处理器对所有指令都选用相同的执行时间来完成。
• 此时每条指令都在一个时钟周期内完成（$CPI=1$），指令之间串行执行，即下一条指令只能在前一条指令执行结束后才能启动。因此，指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。
• 对于那些本来可以在更短时间内完成的指令，仍要在这个较长的周期内完成，会降低整个系统的运行速度。

多周期处理器

• 多周期处理器对不同类型的指令选用不同的执行步骤。
• 指令需要几个周期就为其分配几个周期，因此可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程（$CPI>1$），不再要求所有指令占用相同的执行时间。
• 多指令周期方案中指令之间仍是串行执行的。

流水线处理器

• 流水线处理器采用指令之间并行执行的方案，其追求的目标是力争在每个时钟周期完成一条指令的执行过程（只在理想情况下才能达到该效果，此时 $CPI=1$）。
• 这种方案通过在每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。

八、参考资料

鲍鱼科技课件

b站免费王道课后题讲解:

网课全程班:

26王道考研书

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九、总结