计算机组成原理——中央处理器-指令执行过程（课程笔记）_指令字长等于存储字长的前提下,取指周期等于机器周期-优快云博客

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说明

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参考内容为《计算机组成原理（第3版）》唐朔飞高等教育出版社；王道考研《计算机组成原理考研复习指导2023》
文中的例题摘自王道考研《计算机组成原理考研复习指导2023》，大多是我个人认为较为典型的题目以及错题的部分整理

文章目录

指令执行过程

指令执行过程

1. 指令周期

指令周期
- CPU从主存中取出并执行一条指令的时间称为指令周期
- 不同指令的指令周期可能不同
- 指令周期通常由若干机器周期组成，一个机器周期又包含若干时钟周期
- 每个指令周期内的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
时钟周期
- 也称为振荡周期、节拍或T周期，为时钟脉冲的倒数
机器周期
- 在计算机中，为了便于管理，通常把一条指令的执行过程划分为若干阶段，每个阶段完成一项工作。例如取指、存储器读、存储器写等，这一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需时间称为机器周期（来源网络）
- 机器周期可视为所有指令执行过程中的一个基准时间
- 访问一次存储器的时间是固定的，因此通常以存取周期作为基准时间，即内存中读取一个指令字的最短时间作为机器周期。（当存储字长等于机器字长时，取指周期也可视为机器周期）
三者关系
中断周期
- 当CPU采用中断方式实现主机和I/O设备的信息交换时，CPU在每条指令执行结束前，都要发中断查询信号，若有中断请求，则CPU进入中断响应阶段，又称中断周期
一个完整的指令周期应包含取指、间址、执行、中断周期
- 为了区分不同的工作周期，在CPU内设置了4个标志触发器
- FE：对应取指周期，“1“状态表示有效
- IND：对应间址周期，“1“状态表示有效
- EX：对应执行周期，“1“状态表示有效
- INT：对应中断周期，“1“状态表示有效

2. 指令周期的数据流

2.1 取指周期

![[Pasted image 20220626153908.png]]

任务：根据PC中的内容从主存中取出指令代码并存放在IR中
取指周期的数据流向
1. $PC\rightarrow MAR \rightarrow 地址总线 \rightarrow 主存$
2. $CU发出读命令\rightarrow 控制总线 \rightarrow 主存$
3. $主存（指令）\rightarrow 数据总线\rightarrow MDR\rightarrow IR（存放指令）$
4. $CU发出控制信号\rightarrow PC+1$

2.2 间址周期

![[Pasted image 20220626153925.png]]

任务：取操作数的有效地址
一次间址的间址周期的数据流向
1. $Ad(IR)(或MDR)\rightarrow MAR \rightarrow 地址总线\rightarrow 主存$ ，Ad(IR)表示取出IR中存放的指令字的地址字段
2. $CU发出读命令\rightarrow 控制总线\rightarrow 主存$
3. $主存\rightarrow 数据总线\rightarrow MDR（存放有效地址$

2.3 执行周期

任务：取操作数，并根据IR中的指令字的操作码通过ALU操作产生执行结果
不同指令的指令周期操作不同，因此没有统一的数据流向

2.4 中断周期

![[Pasted image 20220626154018.png]]

任务：处理中断请求
中断周期的数据流向
1. $CU控制将SP减一,SP\rightarrow MAR\rightarrow 地址总线\rightarrow 主存$ ，（减一是因为计算机的堆栈中都是向低地址增加）
2. $CU发出写命令\rightarrow 控制总线\rightarrow 主存$
3. $PC\rightarrow MDR \rightarrow 数据总线 \rightarrow 主存（程序断点存入主存）$
4. $CU（中断服务程序的入口地址）\rightarrow PC$

3. 指令执行方案

3.1 单指令周期

单指令周期方案是对所有指令都选用相同的执行时间来完成
每条指令都在固定的时钟周期内完成，指令间串行执行，即下一条指令只能在前一条指令执行结束后才能启动
指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间

3.2 多指令周期

多指令周期方案对不同类型的指令选用不同的执行步骤
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指令过程，指令需要几个周期就为其分配几个周期，不要求所有指令占用相同的执行时间

3.3 流水线

指令之间并行执行

4. 例题

（ $P_{209}12$ ）以下关于间址周期的描述中，正确的是（）
A. 所有指令的间址操作都是相同的
B. 凡是存储器间接寻址的指令，它们的操作都是相同的
C. 对于存储器间接寻址和寄存器间接寻址，它们的操作是不同的
D. 都不对
解答：指令的间址分为一次间址、两次间址和多次间址，因此它们的操作是不同的。存储器间址是通过形式地址访存，寄存器间址通过寄存器内容访存，因此操作不同，选C
错误原因：错选A
（ $P_{209}14$ ）以下叙述中，错误的是（）
A. 取指操作是控制器固有的功能，不需要在操作码控制下完成
B. 所有指令的取指操作都是相同的
C. 在指令长度相等的情况下，所有指令的取指操作是相同的
D. 中断周期是在指令执行完成后出现的
解答：不同长度的指令，其取指操作可能是不同的。例如，双字指令、三字指令和单字指令的取指操作是不同的。选B
错误原因：错选C
（ $P_{210}16$ ）下列说法中，正确的是（）
I. 指令字长等于机器字长的前提下，取指周期等于机器周期
II. 指令字长等于存储字长的前提下，取指周期等于机器周期
III. 指令字长和机器字长的长度没有任何关系
IV. 为了硬件设计方便，指令字长都和存储字长一样大
A. II、III B. II、III、IV C. I、III、IV D. I、IV
解答：（1）指令字长一般取存储字长的整数倍。若指令字长等于存储字长的两倍，则需两次访存，取指周期等于机器周期的两倍；若指令字长等于存储字长，则取指周期等于机器周期。（2）指令字长与操作码的长度、操作数地址长度、操作数地址的个数有关，与机器字长没有必然的联系。为了设计方便，指令字长一般取字节或存储字长的整数倍，但不一定和存储字长一样大。选A
错误原因：错选D