5.2 指令周期的数据流

5.2.1 指令周期

1. 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。

2. 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。

   

3. 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，一个节拍，CPU完成最基本的操作。

   

   可以发现每个指令周期内机器周期可以不等，每个机器周期内节拍数也可以不等。

   每个指令需要完成的功能不同那么，就需要不同的指令周期，不同的节拍数

   

4. 指令周期流程

   通过对指令判断，来满足不同指令所需的不同指令周期

   

   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。

   那么系统如何判断当前处于哪一个周期呢，答案是使用四个触发器对应不同的周期。

   

5.2.2 指令周期的数据流-取指周期

1. 当前指令地址送至存储器地址寄存器，记做:(PC)→ MAR
2. 由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
3. 存储器将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做:M(MAR)→MDR（M表示存储器，将存储器MAR位置数据放入MDR）
4. 将MDR中的内容(此时是指令)送入IR,记做:(MDR)→IR
5. CU发出控制信号，形成下一条指令地址，记做:(PC)+1 →PC

下面是工作流程，根据上面的步骤找出下方相应的箭头，体会取指周期（在这个周期内PC开始存放的是当前指令的地址，结束时存放的是下一条指令的地址）

5.2.3 指令周期的数据流-间址周期

1. 将指令的地址码送入MAR，记做:Ad(IR)→> MAR或Ad(MDR)→ MAR（此时MDR中存储的依旧是指令，但多数使用的是第一种表示形式）
2. CU发出控制信号，启动主存做读操作，记做:1→R
3. 将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR，记做:M(MAR)→MDR
4. 将有效地址送至指令的地址码字段,记做:MDR→ Ad(IR)。但有些系统就不会放到指令寄存器中，而是直接存储在存储器数据寄存器中，直接下一步当做有效地址寻址。（所以第四步不同的系统操作是不一样的）

5.2.4 指令周期的数据流-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。

5.2.5 指令周期的数据流-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。

1. CU控制将SP减1，修改后的地址送入MAR（主存中选择一段空间作为堆栈，是高地址向低地址扩增的，所以入栈sp减，出栈sp加）

   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

2. CU发出控制信号，启动主存做写操作，记做: 1→w

3. 将断点(PC内容)送入MDR，通过数据总线放入存储器中，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,记做:向量地址→PC

5.2.6 指令执行方案

方案一：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;（一条指令执行完，下一条指令继续）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，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。

方案二：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;（一条指令执行完，下一条指令继续）可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程。需要更复杂的硬件设计。

方案三：流水线方案（之后回详细讲解）

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。（利用指令在不同的指令周期使用的硬件资源不同）