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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)
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