3.2 指令的執行過程

指令的執行過程

• 指令周期：一條指令的執行分為不同的階段
• 數據流：不同階段要求依次訪問的數據序列
• 指令執行方案：如何安排多條指令的執行?

指令周期

• 指令周期：CPU從主存中每取出並執行一條指令所需的全部時間。

• 一個指令周期包含若干機器周期，一個機器周期就是用來完成某個子工作，機器周期又叫CPU周期。

  • 一個機器周期又包含若干時鍾周期（CPU操作的最基本單位：也稱為節拍、T周期或CPU時鍾周期）
  • 例如某CPU主頻：3.0GHz —— 每秒鍾發送3G的節拍
  • 

• 每個指令周期內機器周期數可以不等，

• 每個機器周期內的節拍數也可以不等。

指令周期流程

如何確定當前是在哪個階段？——設置觸發器

• 設置四個觸發器：哪個地方置為1，就代表在哪個階段了
• 四個工作周期都有CPU訪存操作，只是訪存的目的不同。
  • 取指周期是為了取指令
  • 間址周期是為了取有效地址
  • 執行周期是為了取操作數
  • 中斷周期是為了保存程序斷點。

舉例各種指令 說明指令周期的區別

• 空指令NOP：什么都不做、發呆，所以取出來，分析成功，就發呆。
• 加法指令ADD：比空指令多出一段執行周期
• 乘法指令MUL：就是多次加法和移位，所以比加法耗時更久
• 具有間接尋址的指令：多出一個間接尋址的周期
• 帶有中斷周期的指令：最后留一段進行中斷檢查

數據流

1、取指周期

• 1、當前指令地址送至存儲器地址寄存器。
  • 記：(PC)→ MAR
• 2、CU 發出控制信號，經控制總線傳到主存，這里是讀信號。
  • 記:1→R
    • 對R給高電平1，表示進行讀
    • 對W給高電平1，表示進行寫
• 3、把主存中MAR所指向的數據，放到MDR中。
  • 記:M(MAR) → MDR
• 4、將MDR中的內容(此時是指令)送入IR。
  • 記:(MDR) → IR
• 5、CU發出控制信號，形成下一條指令地址
  • 記:(PC) + "1" → PC

2、間址周期（有的指令有）

• Ad是address，表示取IR的地址碼

• 將指令的地址碼送入MAR

  • 記： Ad(IR) → MAR【指令現存於IR】
  • 或記：Ad(MDR) → MAR 【此時MDR中也存儲了當前的指令信息，因為是從MDR復制給IR】

• CU發出控制信號，啟動主存做讀操作，記做：1 → R

• 將MAR所指主存中的內容經數據總線送入MDR

  • 記：M(MAR) → MDR

• 有的可能：將有效地址送至指令的地址碼字段

  • 記：(MDR) → Ad(IR)【因為有的地方把EA拼接到IR中了】

3、執行周期

• 執行周期的任務是根據IR中的指令字的操作碼和操作數通過ALU操作產生執行結果。
• 不同指令的執行周期操作不同，因此沒有統一的數據流向。

4、中斷周期

• 中斷：暫停當前在務去完成其他任務。

  • 為了完成其他任務后能夠恢復當前任務，需要保存斷點，一般使用堆棧來保存斷點。

• 堆棧保存斷點

  • 每個進程在主存中都有一個堆棧
  • 這里用SP指向棧頂元素，進棧操作是先修改指針，后存入數據。
  • 在實際使用中，棧頂是低地址位，棧底是高地址位。

• 1、把PC的值壓入棧。進棧：CU控制，SP往頂端挪，將SP減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

  • 記做:(SP)-1 → SP，(SP) → MAR
  • 本質上是將斷點存入某個存儲單元，這里就是把SP指向SP-1（高一位）並且把最后的(SP)-1存入了MAR

• 2、CU發出控制信號，啟動主存做寫操作

  • 記做:1 → w

  • 已經保存斷點了，這里要讓PC指向另一個程序的存放地址。

• 3、將斷點(PC內容)送入MDR

  • 記做（PC) → MDR

• 4、CU控制將中斷服務程序的入口地址（由向量地址形成部件產生）送入PC，

  • 記：向量地址 → PC

指令執行方案

一個指令周期：通常要包括幾個時間段（執行步驟），每個步驟完成指令的一部分功能，幾個依次執行的步驟完成這條指令的全部功能。

方案1. 單指令周期

對所有指令都選用相同的執行時間來完成。

• 指令之間串行執行
• 控制電路的執行設計方便
• 必然長短不一，指令周期取決於執行時間最長的指令的執行時間，只要設計一樣的節拍數量就可以了，但必然有浪費
• 對於那些本來可以在更短時間內完成的指令，要使用這個較長的周期來完成，會降低整個系統的運行速度。

方案2．多指令周期

對不同類型的指令選用不同的執行步驟來完成。

• 指令之間串行執行
• 可選用不同個數的時鍾周期來完成不同指令的執行過程。
• 一條條執行
• 需要更復雜的硬件設計。

方案3．流水線方案

在每一個時鍾周期啟動一條指令，盡量讓多條指令同時運行，但各自處在不同的執行步驟中。

• 指令之間並行執行。
• 利用效率高
• 原因在於：每個階段用的硬件不同、資源不同，最終就可以相互協調，讓利用效率達到最高。
  • 比如取指令階段用PC、IR、MAR，分析階段用UC
  • 即第一個到分析階段、第二個就開始進行取指令