中央处理器——指令执行过程
作者：互联网
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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
标签：MAR,周期,记做,指令,MDR,执行,中央处理器 来源： https://blog.51cto.com/u_15265965/2891996