计算机组成原理 第七章（CPU的工作过程）—第二节（指令周期）

 写在前面：

1. 本系列笔记主要以《计算机组成原理（唐朔飞）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。

2. 视频链接：计算机组成原理（哈工大刘宏伟）135讲（全）高清_哔哩哔哩_bilibili

一、指令周期概述

1、指令周期的基本概念

        CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期，也即CPU完成一条指令的时间，如下图所示。图中的取指阶段完成取指令和分析指令的操作，又称取指周期；执行阶段完成执行指令的操作，又称执行周期。在大多数情况下，CPU就是按“取指一执行-再取指-再执行…”的顺序自动工作的。

2、指令周期的长度

        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，一个机器周期又包括若干个时钟周期（也称为节拍、T周日或CPU时钟周期，它是CPU操作的最基本单位）。

        由于各种指令操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不相同的。另外，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。

3、具有间接寻址的指令周期

        当遇到间接寻址的指令时，由于指令字中只给出操作数有效地址的地址，因此，为了取出操作数，需先访问一次存储器，取出有效地址，然后再访问存储器，取出操作数，这样，间接寻址的指令周期就包括取指周期、间址周期和执行周期3个阶段，其中间址周期用于取操作数的有效地址，因此间址周期介于取指周期和执行周期之间。

4、带有中断周期的指令周期

        当CPU采用中断方式实现主机与I/O设备交换信息时，CPU在每条指令执行阶段结束前都要发中断查询信号，以检测是否有某个I/O设备提出中断请求，如果有请求，CPU则要进入中断响应阶段，又称中断周期，在此阶段，CPU必须将程序断点保存到存储器中，这样，一个完整的指令周期应包括取指、间址、执行和中断4个子周期。

5、指令周期流程

        取指、间址、执行和中断4个周期都有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（当指令为访存指令时），中断周期是为了保存程序断点，这4个周期又可称为CPU的工作周期，为了区别它们，在CPU内可设置4个标志触发器。

二、指令周期的数据流

1、取值周期的数据流

        PC中存放现行指令的地址，该地址送到MAR并送至地址总线，然后由控制部件CU向存储器发读命令，使对应MAR所指单元的内容（指令）经数据总线送至MDR，再送至IR，并且CU控制PC内容加1，形成下一条指令的地址。

2、间址周期的数据流

        一旦取指周期结束，CU便检查IR中的内容，以确定其是否有间址操作，如果需要间址操作，则MDR中指示形式地址的右N位（记作Ad(MDR)）将被送到MAR，又送至地址总线，此后CU向存储器发读命令，以获取有效地址并存至MDR。

3、执行周期的数据流

        由于不同的指令在执行周期的操作不同，因此执行周期的数据流是多种多样的，可能涉及CPU内部寄存器间的数据传送、对存储器（或I/O）进行读写操作或对ALU的操作。

4、中断周期的数据流

        CPU进入中断周期要完成一系列操作，其中PC当前的内容必须保存起来，以待执行完中断服务程序后可以准确返回到该程序的间断处。

        由CU把用于保存程序断点的存储器特殊地址（如栈指针的内容）送往MAR，并送到地址总线上，然后由CU向存储器发写命令，并将PC的内容（程序断点）送到MDR，最终使程序断点经数据总线存入存储器。此外，CU还需将中断服务程序的入口地址送至PC，为下一个指令周期的取指周期做好准备。