1.指令周期
指令周期:
CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。
指令周期常常用若干机器周期来表示,机器周期又叫CPU周期。
机器周期:
一个机器周期又包含若干时钟周期。
时钟周期:
也称为节拍、T周期或CPU时钟周期,它是CPU操作的最基本单位。 (CPU的性能指标中的主频的倒数就是CPU的时钟周期)
每个指令周期内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。
2.指令执行过程
四个工作周期都有CPU访存操作,只是访存的目的不同。取指周期是为了取指令,间址周期是为了取有效地址,执行周期是为了取操作数,中断周期是为了保存程序断点。
取指周期
步骤 | 做什么 | 记做 |
---|---|---|
1. | 当前指令地址送至存储器地址寄存器 | 记做:(PC)>MAR |
2. | CU发出控制信号,经控制总线传到主存,这里是读信号 | 记做:1>R |
3. | 将MAR所指主存中的内容经数据总线送入MDR | 记做:M(MAR)>MDR |
4. | 将MDR中的内容(此时是指令)送入IR | 记做:(MDR)>IR |
5. | CU发出控制信号,形成下一条指令地址 | 记做:(PC)+1>PC |
间址周期
执行周期
执行周期的任务是根据IR中的指令字的操作码和操作数通过ALU操作产生执行结果不同指令的执行周期操作不同,因此没有统一的数据流向。
中断周期
中断:暂停当前任务去完成其他任多为了能够恢复当前任务,需要保存断点一般使用堆栈来保存断点,这里用SP表示栈顶地址,假设SP指向栈顶元素,进栈操作是先修改指针,后存入数据。
3.指令执行方案
一个指令周期通常要包括几个时间段(执行步骤),每个步骤完成指令的一部分功能,几个依次执行的步骤完成这条指令的全部功能。
方案1. | 单指令周期 | 对所有指令都选用相同的执行时间来完成。 指令之间串行执行;指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。 对于那些本来可以在更短时间内完成的指令,要使用这个较长的周期来完成,会降低整个系统的运行速度。 |
---|---|---|
方案2. | 多指令周期 | 对不同类型的指令选用不同的执行步骤来完成指令之间串行执行;可选用不同个数的时钟周期来完成不同指令的执行过程。需要更复杂的硬件设计。 |
方案3. | 流水线方案 | 在每一个时钟周期启动一条指令,尽量让多条指令同时运行,但各自处在不同的执行步骤中。指令之间并行执行。 |