计算机组成原理（修订版） 教学课件 作者 竺士蒙 主编 柳 祎 副主编 15.PPT

5.2 指令周期 要点 1、指令周期的概念 2、典型指念的指令周期举例 3、指令周期的方框图表示 1、指令周期的概念 CPU取出一条指令，并分析、执行该指令需要完成一系列的操作，所需要的时间叫做一个指令周期。 由于指令的功能不同，有的简单，有的复杂，因此各种指令的指令周期是不尽相同的。 例如，一条访内指令的指令周期，与一条非访内指令的指令周期是不相同的。 指令周期常常用若干个CPU周期（也称机器周期）来表示。 由于CPU内部的操作速度较快，而CPU访问一次内存所花的时间较长，因此往往用从内存读取一条指令的时间来规定CPU周期，CPU周期即取出一条指令的时间。 CPU周期包含有若干个时钟周期（通常称为节拍脉冲或T周期），时钟周期即CPU主频的倒数。 T周期 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ф 第1个 CPU周期 第2个 CPU周期 (取指令) (执行指令) 指令周期 图5.3 一个典型的指令周期 图5.3示出了一个典型的指令周期。该指令周期是由2个CPU周期组成，第1个是取指令周期，第2个是执行指令周期，每个CPU周期是由4个时钟周期组成。 2、典型指令的指令周期举例 2.1、非访内指令的指令周期 INC AL 指令是一条非访内指令，它需要两个CPU周期，其中取指令阶段需要一个CPU周期，执行指令阶段需要一个CPU周期。 在第一个CPU周期，即取指令阶段，CPU完成2件事： 从内存中取出指令，并对指令地址计数器IP加1，以便为取下一条指令做好准备。 对指令进行译码，以便确定进行什么操作。 在第二个CPU周期，即执行指令阶段，CPU根据指令的译码结果，完成AL的加1操作。 取指令(IP)+1 指令译码 执行指令 取下一条指令，(IP)+1 第一个CPU周期 第二个CPU周期 取指令阶段 执行指令阶段 图5.4 非访内指令INC的指令周期 CPU具体的操作步骤： 1）. 取指令阶段 (1). 指令地址计数器IP的内容2010H装入地址缓冲寄存器AR； (2). IP的内容加1，变成2011H，为取下一条指令做好准备； (3). 取出内存2010H单元的内容，传送到数据缓冲寄存器DR (4). DR的内容传送到指令寄存器IR； (5). IR中的指令被译码； (6). CPU识别出是一个INC指令，译码结果送操作控制器（时序产生器）。至此，取指令阶段即告结束。 2）. 执行指令阶段 (7). 操作控制器送出操作控制信号给算术/逻辑运算单元ALU； (8). ALU响应该操作控制信号，将累加器AL的内容加1。至此，INC指令执行完毕。 指令地址计数器 地址缓冲寄存器 内存 数据缓冲寄存器 指令寄存器 指令译码器 操作控制器 （时序产生器） ALU ALU 寄存器 累加器 状态条件 寄存器 操作控制信号 　　　　　　　 ⑺ … ⑻ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ⑹ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ⑸ ⑵ +1 　　　　　　 ⑴　　　　 　　⑷ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ⑶ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 图5.5 非访内指令INC的操作步骤 2.2、访内指令的指令周期 第二条指令ADD AL，[2000H] 是一条访内指令，它需要三个CPU周期，其中第一个CPU周期为取指令阶段，第二、第三个CPU周期为执行指令阶段。 第一个CPU周期，即取指令阶段，其过程完全与INC指令相同。 第二个CPU周期，CPU只做一件事，将操作数地址2000H送往地址寄存器。 第三个CPU周期，CPU从内存2000H单元中取出操作数，并与AL中的内容相加，结果存在AL中 取指令(IP)+1 指令译码 送操作数地址 取出操作数 执行加操作 取下一条指令，(IP)