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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。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？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 l定义为：在内存（定义为：在内存（CacheCache）中读取指令字的最）中读取指令字的最短时间（因为访存耗时较长）短时间（因为访存耗时较长）l l取指阶段需要一个取指阶段需要一个CPUCPU周期周期5.2指令周期一个指令周期中：l l一条指令耗时一个指令周期一条指令耗时一个指令周期l l一个指令周期包括一个取指令周期和一个或一一个指令周期包括一
2、个取指令周期和一个或一个以上的个以上的CPUCPU执行周期执行周期l l在每个在每个CPUCPU周期中数据通路是确定的周期中数据通路是确定的l l指令决定了数据通路的建立及操作具体内容与指令决定了数据通路的建立及操作具体内容与实现方式。实现方式。勘误：P142：最后一段第一句改为：l l指令周期常常用若干个指令周期常常用若干个CPUCPU周期数来表示，周期数来表示，CPUCPU周期又称为机器周期，（删除周期又称为机器周期，（删除“ “又称时钟又称时钟周期，周期，” ”）CPUCPU访问一次内存访问一次内存5.2指令周期时钟周期：节拍脉冲、T周期l l处理操作的最基本单位，与处理操作的最基本单位
3、，与CPUCPU主频成倒主频成倒数数l l可代表一次微操作，如可代表一次微操作，如ALUALU的一次运算、的一次运算、寄存器间的一次数据传送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 1时钟周期：时钟周期：指令周期含有时钟周期个数：指令周期含有时钟周期个数：指令周期含有机器周期个数：指令周期含有机器周期个数：0.8M0.8MS = 1.25 uSS = 1.25 uS1 18M8MS= 0.125 uSS= 0.125 uS1
4、0102.52.55.2 指令执行过程详解指令存储器八进制地址指令助记符100101102103104105106MOV R0,R1LAD R1,6ADD R1,R2STO R2,(R3)JMP 101AND R1,R3数据存储器八进制地址八进制数据567103070100667740(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 l取出指令：从存储器取出要执行的指令送到取出指令：从存储器取出要执行的指令送到 指令寄存器暂存；指令寄存器暂存； l lPC+1PC+1；l l指令译码：确定要进行的操作；指令译码：确定要进行的操作； 执行指令：l l根据指
5、令译码器向各个部件发出相应控制信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号，完成指令规定的操作与冯诺依曼存储程序思想的印证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的内容被放到指令地址总线ABUS(I)上上,对指存进行译码对指存进行译码,并启动读命令；并启动读命令； 从从101号地址读出的号地址读出的MOV指令通过指令总线指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器装入指令寄存器IR； 程序计数器内容加程序计数器内容加1，变成，变成102，为取下一条指令做好准备；，为取下一条指令做好准备； 指令寄存
6、器中的操作码（指令寄存器中的操作码（OP）被译码；）被译码； CPU识别出是识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。指令，至此，取指周期即告结束。 程序计数器程序计数器PC中装入第一条指令地址中装入第一条指令地址101（八进制）；（八进制）；101102MOV R0,R15.2.2 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-取指令 OC送出控制信号到送出控制信号到ALU，指定，指定ALU做传送操作；做传送操作； OC送出控制信号，打开送出控制信号，打开ALU输出三态门，将输出三态门，将ALU输出送到数据总线输出送到数据总线DBUS上。注意，上。注意，任
7、何时候任何时候DBUS上只能有一个数据。上只能有一个数据。 OC送出控制信号，将送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）；）； OC送出控制信号，将送出控制信号，将DR中的数据中的数据10打入到目标寄存器打入到目标寄存器R0，R0的内容由的内容由00变为变为10。至此，至此，MOV指令执行结束。指令执行结束。 操作控制器（操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器，选择）作源寄存器，选择R0作目标寄存器；作目标寄存器；源源目标目标105.2.3 LAD指令执行过程详解指令存储器八进制
8、地址指令助记符100101102103104105106MOV RO,R1LAD R1,6ADD R1,R2STO R2,(R3)JMP 101AND R1,R3数据存储器八进制地址八进制数据567103070100667740(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的内容被放到指令地址总线ABUS(I)上上,对指存进行译码对指存进行译码,并启动读命令；并启动读命令； 从从102号地址读出的号地址读出的LAD指令通过指令总线指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器装入指令寄存器IR； 程序计数器内容加程序计数器内容加
9、1，变成，变成103，为取下一条指令做好准备；，为取下一条指令做好准备； 指令寄存器中的操作码（指令寄存器中的操作码（OP）被译码；）被译码； CPU识别出是识别出是LAD指令，至此，取指周期即告结束。指令，至此，取指周期即告结束。 程序计数器程序计数器PC中的值为中的值为102（八进制）；（八进制）； OC发出操作命令，将地址码发出操作命令，将地址码6装入数据地址寄存器装入数据地址寄存器AR； OC发出读命令，将数存发出读命令，将数存6号单元中的数号单元中的数100读出到读出到DBUS上；上； OC发出命令，将发出命令，将DBUS上的数据上的数据100装入缓冲寄存器装入缓冲寄存器DR； OC
10、发出命令，将发出命令，将DR中的数中的数100装入通用寄存器装入通用寄存器R1，原来，原来R1中的数中的数10被冲掉。至此，被冲掉。至此，LAD指令执行周期结束。指令执行周期结束。 操作控制器操作控制器OC发出控制命令打开发出控制命令打开IR输出三态门，将指令中的直接地址码输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总放到数据总线线DBUS上；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：答：DBUS上分时进行上分时进行地址传送和地址传送和数据传送数据传送,一个数据通一个数据通路占用一个路占用一个CPU周期。周期。5.2.4ADD指令的指令周期只讲AD
11、D指令的执行过程5.2.5ADD指令的执行周期指令的执行周期 操作控制器操作控制器OC送出控制命令到通用寄存器，选择送出控制命令到通用寄存器，选择R1做源寄存器，做源寄存器，R2做目标寄存器；做目标寄存器； OC 送出控制命令到送出控制命令到ALU，指定，指定ALU做做R1（100）和）和R2（20）的加）的加法操作；法操作； OC送出控制命令，打开送出控制命令，打开ALU输出三态门，运算结果输出三态门，运算结果120放到放到DBUS上；上； OC送出控制命令，将送出控制命令，将DBUS上数据打入缓冲寄存器上数据打入缓冲寄存器DR；ALU产生的产生的进位信号保存状态字寄存器在进位信号保存状态字
12、寄存器在PSW中。中。 OC送出控制命令，将送出控制命令，将DR（120）装入）装入R2，R2中原来的内容中原来的内容20被冲被冲掉。至此掉。至此ADD指令执行周期结束。指令执行周期结束。5.2.5STO指令的指令周期STO R2, (R3) -将将R2内容写到内容写到(R3)5.2.5STO指令的指令周期指令的指令周期 操作控制器操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器，选择送出操作命令到通用寄存器，选择R3=30做数据存储做数据存储器的地址单元；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，将地址发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将地址30放到放到DBUS上；上； OC发
13、出操作命令，将地址发出操作命令，将地址30打入打入AR，并进行数存地址译码；，并进行数存地址译码； OC发出操作命令到通用寄存器，选择发出操作命令到通用寄存器，选择R2=120，作为数存的写入数，作为数存的写入数据；据； OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将数据发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将数据120放到放到DBUS上。上。 OC发出操作命令，将数据发出操作命令，将数据120写入数存写入数存30号单元，它原先的数据号单元，它原先的数据40被冲掉。至此，被冲掉。至此，STO指令执行周期结束。指令执行周期结束。5.2.6JMP指令的指令周期5.2.6JMP指令的指令周期指令的
14、指令周期 OC发生操作控制命令，打开指令寄存器发生操作控制命令，打开指令寄存器IR的输出三态门，将的输出三态门，将IR中的地址码中的地址码101发送到发送到DBUS上；上； OC发出操作控制命令，将发出操作控制命令，将DBUS上的地址码上的地址码101打入到程序计数器打入到程序计数器PC中，中，PC中的原先内容中的原先内容106被更换。于是下一条指令不是从被更换。于是下一条指令不是从106号单元取出，而是转移到号单元取出，而是转移到101号单元取出。至此号单元取出。至此JMP指令执行周期结束。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
15、用于算法设计具体实现方法：l l方框方框CPUCPU周期（机器周期）周期（机器周期）l l方框内容方框内容数据通路操作或控制操作数据通路操作或控制操作l l菱形符号菱形符号判别或测试（不独占判别或测试（不独占cpucpu周期，周期，依附于上个方框的依附于上个方框的CPUCPU周期）周期）l l 公操作（处理外设，后续章节学习）公操作（处理外设，后续章节学习）5.2.7用方框图语言表示的指令周期上一节的程序执行图：l l学习讲解需要学习讲解需要画方框图：l l取指过程相同取指过程相同l l执行过程各异执行过程各异5.2.7方框图表示指令周期取指取指执行执行一个一个CPU周期周期5.2.7方框图表
16、示指令周期P151例例1：双总线结构机器的数据通路图：双总线结构机器的数据通路图分析分析ADD R2，R0 （R0=R0+R2）分析分析SUB R1，R3 （R3=R3-R1）微操作控微操作控制信号制信号微操作控微操作控制信号制信号注意微操作控制信号，脚标注意微操作控制信号，脚标 i 表示写入，表示写入，o表示读出表示读出桥耗费时间，使得寄存器传递数据占据了一个桥耗费时间，使得寄存器传递数据占据了一个CPU周期周期ALU0ALU0ALU0R3iALU0注意注意红色红色勘误勘误思考：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。3333 以上有不当之处，请大家给与批评指正，以上有不当之处，请大家给与批评指正，谢谢大家！谢谢大家！
