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1、指令周期 5.2指令周期 CPU的功能：取指令和执行指令 指令周期：取出一条指令并执行这条指令的时间 。 各种指令的指令周期相同吗？为什么？ 5.2指令周期 CPU周期（机器周期）： l定义为：在内存（Cache）中读取指令字的最 短时间（因为访存耗时较长） l取指阶段需要一个CPU周期 5.2指令周期 一个指令周期中： l一条指令耗时一个指令周期 l一个指令周期包括一个取指令周期和一个或一 个以上的CPU执行周期 l在每个CPU周期中数据通路是确定的 l指令决定了数据通路的建立及操作具体内容与 实现方式。 勘误： P142：最后一段第一句改为： l指令周期常常用若干个CPU周期数来表示， C
2、PU周期又称为机器周期，（删除“又称时钟周 期，”）CPU访问一次内存 5.2指令周期 时钟周期：节拍脉冲、T周期 l处理操作的最基本单位，与CPU主频成倒 数 l可代表一次微操作，如ALU的一次运算、 寄存器间的一次数据传送 Eg. 某CPU的主频为8MHz，若已知每个机 器周期平均含有4个时钟周期，且该机的平 均指令速度为0.8MIPS，则该机的平均指令 周期为_，每个指令周期平均 含有_个机器周期。 解答 指令周期： 1 时钟周期： 指令周期含有时钟周期个数： 指令周期含有机器周期个数： 0.8M S = 1.25 uS 1 8M S= 0.125 uS 10 2.5 5.2 指令执行过
3、程详解 指令存储器八进制地址指令助记符 100 101 102 103 104 105 106 MOV R0,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3 数据存储器八进制地址八进制数据 5 6 7 10 30 70 100 66 77 40(120) 5.2.2 MOV指令执行过程详解 5.2.2 MOV指令执行过程详解 取指令： l取出指令：从存储器取出要执行的指令送到 指令寄存器暂存； lPC+1； l指令译码：确定要进行的操作； 执行指令： l根据指令译码器向各个部件发出相应控制信 号，完成指令规定的操作 与冯诺依曼存储程序思想
4、的印证 5.2.2 MOV指令执行过程详解-取 指令 取指令过程详解 5.6 MOV指令执行过程详解-取指 令 PC的内容被放到指令地址总线ABUS(I)上,对指存进行译码,并启动读命令； 从101号地址读出的MOV指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器IR； 程序计数器内容加1，变成102，为取下一条指令做好准备； 指令寄存器中的操作码（OP）被译码； CPU识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。 程序计数器PC中装入第一条指令地址101（八进制）； 101102 MOV R0,R1 5.2.2 MOV指令执行过程详解-执行 指令 执行指令过程详解 5.6 MOV指令执行过程详解-取指
5、 令 OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作； OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总线DBUS上。注意， 任何时候DBUS上只能有一个数据。 OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）； OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器R0，R0的内容由00变为10。至 此，MOV指令执行结束。 操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器，选择R0 作目标寄存器； 源 目标 10 5.2.3 LAD指令执行过程详解 指令存储器八进制地址指令助记符 100 101 102 103 104 105 106
6、MOV RO,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3 数据存储器八进制地址八进制数据 5 6 7 10 30 70 100 66 77 40(120) 5.2.3 LAD指令执行过程详解 取指令过程与MOV指令相同 下面讲解执行指令过程 PC的内容被放到指令地址总线ABUS(I)上,对指存进行译码,并启动读命令； 从102号地址读出的LAD指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器IR； 程序计数器内容加1，变成103，为取下一条指令做好准备； 指令寄存器中的操作码（OP）被译码； CPU识别出是LAD指令，至此，取指周期即告结束。
7、程序计数器PC中的值为102（八进制）； OC发出操作命令，将地址码6装入数据地址寄存器AR； OC发出读命令，将数存6号单元中的数100读出到DBUS上； OC发出命令，将DBUS上的数据100装入缓冲寄存器DR； OC发出命令，将DR中的数100装入通用寄存器R1，原来R1中的数10被冲掉。至此， LAD指令执行周期结束。 操作控制器OC发出控制命令打开IR输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总 线DBUS上； 5.2.3 LAD指令执行过程详解 分析：为什么LAD指令周期包含三个CPU 周期？ 答：DBUS 上分时进行 地址传送和 数据传送, 一个数据通 路占用一个 CPU周期。
8、5.2.4ADD指令的指令周期 只讲ADD指令的执行过程 5.2.5ADD指令的执行周期 操作控制器OC送出控制命令到通用寄存器，选择R1做源寄存器， R2做目标寄存器； OC 送出控制命令到ALU，指定ALU做R1（100）和R2（20）的加 法操作； OC送出控制命令，打开ALU输出三态门，运算结果120放到DBUS 上； OC送出控制命令，将DBUS上数据打入缓冲寄存器DR；ALU产生的 进位信号保存状态字寄存器在PSW中。 OC送出控制命令，将DR（120）装入R2，R2中原来的内容20被冲 掉。至此ADD指令执行周期结束。 5.2.5STO指令的指令周期 STO R2, (R3) -
9、将R2内容写到(R3) 5.2.5STO指令的指令周期 操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器，选择R3=30做数据存储 器的地址单元； OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将地址30放到 DBUS上； OC发出操作命令，将地址30打入AR，并进行数存地址译码； OC发出操作命令到通用寄存器，选择R2=120，作为数存的写入数据 ； OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将数据120放到 DBUS上。 OC发出操作命令，将数据120写入数存30号单元，它原先的数据40 被冲掉。至此，STO指令执行周期结束。 5.2.6JMP指令的指令周期 5.2.6JMP指令的指令周期 OC发生
10、操作控制命令，打开指令寄存器IR的输出三态门，将IR中的地址码 101发送到DBUS上； OC发出操作控制命令，将DBUS上的地址码101打入到程序计数器PC中，PC 中的原先内容106被更换。于是下一条指令不是从106号单元取出，而是转移到 101号单元取出。至此JMP指令执行周期结束。 5.2.7用方框图语言表示的指令周 期 绘制指令周期流程图目的：控制器设计 回想算法流程图用于算法设计 具体实现方法： l方框CPU周期（机器周期） l方框内容数据通路操作或控制操作 l菱形符号判别或测试（不独占cpu周期， 依附于上个方框的CPU周期） l公操作（处理外设，后续章节学习） 5.2.7用方框
11、图语言表示的指令周 期 上一节的程序执行图： l学习讲解需要 画方框图： l取指过程相同 l执行过程各异 5.2.7方框图表示指令周期 取指 执行 一个CPU 周期 5.2.7方框图表示指令周期 P151例1：双总线结构机器的数据通路图 分析ADD R2，R0 （R0=R0+R2） 分析SUB R1，R3 （R3=R3-R1） 微操作控 制信号 微操作控 制信号 注意微操作控制信号，脚标 i 表示写入，o表示读出 桥耗费时间，使得寄存器传递数据占据了一个CPU周期 ALU0 ALU0 ALU0 R3i ALU0 注意 红色 勘误 思考：为了缩短ADD R2,R0指令的取指周 期，修改该双总线数据通路图，画出指令 周期流程图。
