3.2 指令的执行过程

指令的执行过程

• 指令周期：一条指令的执行分为不同的阶段
• 数据流：不同阶段要求依次访问的数据序列
• 指令执行方案：如何安排多条指令的执行?

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。

• 一个指令周期包含若干机器周期，一个机器周期就是用来完成某个子工作，机器周期又叫CPU周期。

  • 一个机器周期又包含若干时钟周期（CPU操作的最基本单位：也称为节拍、T周期或CPU时钟周期）
  • 例如某CPU主频：3.0GHz —— 每秒钟发送3G的节拍
  • 

• 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

如何确定当前是在哪个阶段？——设置触发器

• 设置四个触发器：哪个地方置为1，就代表在哪个阶段了
• 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。

举例各种指令 说明指令周期的区别

• 空指令NOP：什么都不做、发呆，所以取出来，分析成功，就发呆。
• 加法指令ADD：比空指令多出一段执行周期
• 乘法指令MUL：就是多次加法和移位，所以比加法耗时更久
• 具有间接寻址的指令：多出一个间接寻址的周期
• 带有中断周期的指令：最后留一段进行中断检查

数据流

1、取指周期

• 1、当前指令地址送至存储器地址寄存器。
  • 记：(PC)→ MAR
• 2、CU 发出控制信号，经控制总线传到主存，这里是读信号。
  • 记:1→R
    • 对R给高电平1，表示进行读
    • 对W给高电平1，表示进行写
• 3、把主存中MAR所指向的数据，放到MDR中。
  • 记:M(MAR) → MDR
• 4、将MDR中的内容(此时是指令)送入IR。
  • 记:(MDR) → IR
• 5、CU发出控制信号，形成下一条指令地址
  • 记:(PC) + "1" → PC

2、间址周期（有的指令有）

• Ad是address，表示取IR的地址码

• 将指令的地址码送入MAR

  • 记： Ad(IR) → MAR【指令现存于IR】
  • 或记：Ad(MDR) → MAR 【此时MDR中也存储了当前的指令信息，因为是从MDR复制给IR】

• 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：M(MAR) → MDR

• 有的可能：将有效地址送至指令的地址码字段

  • 记：(MDR) → Ad(IR)【因为有的地方把EA拼接到IR中了】

3、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。

4、中断周期

• 中断：暂停当前在务去完成其他任务。

  • 为了完成其他任务后能够恢复当前任务，需要保存断点，一般使用堆栈来保存断点。

• 堆栈保存断点

  • 每个进程在主存中都有一个堆栈
  • 这里用SP指向栈顶元素，进栈操作是先修改指针，后存入数据。
  • 在实际使用中，栈顶是低地址位，栈底是高地址位。

• 1、把PC的值压入栈。进栈：CU控制，SP往顶端挪，将SP减1，修改后的地址送入MAR，指明要存入的地址放在SP-1的位置

  • 记做:(SP)-1 → SP，(SP) → MAR
  • 本质上是将断点存入某个存储单元，这里就是把SP指向SP-1（高一位）并且把最后的(SP)-1存入了MAR

• 2、CU发出控制信号，启动主存做写操作

  • 记做:1 → w

  • 已经保存断点了，这里要让PC指向另一个程序的存放地址。

• 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：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
• 控制电路的执行设计方便
• 必然长短不一，指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间，只要设计一样的节拍数量就可以了，但必然有浪费
• 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。
• 一条条执行
• 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。
• 利用效率高
• 原因在于：每个阶段用的硬件不同、资源不同，最终就可以相互协调，让利用效率达到最高。
  • 比如取指令阶段用PC、IR、MAR，分析阶段用UC
  • 即第一个到分析阶段、第二个就开始进行取指令