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指令周期

指令周期是指执行一条指令所需要的时间,一般由若干个机器周期组成,是从取指令、分析指令到执行完所需的全部时间。

指令周期类型有非访内指令的指令周期、取数指令的指令周期、存数指令的指令周期、空操作指令和转移指令的指令周期。

指令周期读取-执行周期(fetch-and-execute cycle)是指CPU要执行指令经过的步骤。

计算机所以能自动地工作,是因为CPU能从存放程序的内存里取出一条指令并执行这条指令;紧接着又是取指令,执行指令,如此周而复始,构成了一个封闭的循环。除非遇到停机指令,否则这个循环将一直继续下去。

指令周期 :CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。

CPU周期 :又称机器周期,CPU访问一次内存所花的时间较长,因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。

时钟周期: 通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。

CLA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。

1、取指令阶段

(1)程序计数器PC的内容20(八进制)被装入地址寄存器AR;

(2)程序计数器内容加1,变成21,为取下一条指令做好准备;

(3)地址寄存器的内容被放到地址总线上;

(4)所选存储器单元20的内容经过数据总线,传送到数据缓冲寄存器DR;

(5)缓冲寄存器的内容传送到指令寄存器IR;

(6)指令寄存器中的操作码被译码或测试;

(7)CPU识别出是指令CLA,至此,取指令阶段即告结束。

2、执行指令阶段

(1)操作控制器送一控制信号给算术逻辑运算单元ALU;

(2)ALU响应该控制信号,将累加寄存器AC的内容全部清零,从而执行了CLA指令。

1.送操作数地址

第二个CPU周期主要完成送操作数地址。在此阶段,CPU的动作只有一个,那就是把指令寄存器中的地址码部分(30)装入地址寄存器,其中30为内存中存放操作数的地址。

2.两操作数相加

第三个CPU周期主要完成取操作数并执行加法操作中。在此阶段,CPU完成如下动作:

(1)把地址寄存器中的操作数的地址发送到地址总线上。

(2)由存储器单元30中读出操作数,并经过数据总线传送到缓冲寄存器。

(3)执行加操作:由数据缓冲寄存器来的操作数可送往ALU 的一个输入端,已等候在累加器内的另 一个操作数(因为CLA指令执行结束后累加器内容为零)送往ALU的另一输入端,于是ALU将两数相加,产生运算结果为0+6=6。这个结果放回累加器,替换了累加器中原先的数0 。

STA指令的指令周期由三个CPU周期组成。

1.送操作数地址

在执行阶段的第一个CPU周期中,CPU完成的动作是把指令寄存器中地址码部分的形式地址40装到地址寄存器。其中数字40是操作数地址。

2.存储和数

执行阶段的第二个CPU周期中,累加寄存器的内容传送到缓冲寄存器,然后再存入到所选定的存储单元(40)中。CPU完成如下动作:

(1)累加器的内容被传送到数据缓冲寄存器DR;

(2)把地址寄存器的内容发送到地址总线上,即为将要存入的数据6的内存单元号;

(3)把缓冲寄存器的内容发送到数据总线上;

(4)数据总线上的数写入到所选中的存储器单元中,即将数6写入到存储器40号单元中。注意 在这个操作之后,累加器中仍然保留和数6,而存储器40号单元中原先的内容被冲掉 。

第四条指令即“NOP”指令,这是一条空操作指令。其中第一个CPU周期中取指令,CPU把23号单元的“NOP”指令取出放到指令寄存器,第二个CPU周期中执行该指令。因译码器译出是“NOP”指令,第二个CPU周期中操作控制器不发出任何控制信号。NOP指令可用来调机之用。

1.第一个CPU周期(取指令阶段)

CPU把24号单元的“JMP 21”指令取出放至指令寄存器,同时程序计数器内容加1,变为25,从而取下一条指令做好准备。

2.第二个CPU周期(执行阶段)

CPU把指令寄存器中地址码部分21送到程序计数器,从而用新内容21代替PC原先的内容25。这样,下一条指令将不从25单元读出,而是从内存21单元开始读出并执行,从而改变了程序原先的执行顺序。

注意 执行“JMP 21”指令时,我们此处所给的四条指令组成的程序进入了死循环,除非人为停机,否则这个程序将无休止地运行下去,因而内存单元40中的和数将一直不断地发生变化。当然,我们此处所举的转移地址21是随意的,仅仅用来说明转移指令能够改变程序的执行顺序而已。

指令不同,所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令,在取指令周期中,指令取出到指令寄存器后,立即译码执行,不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令,例如转移指令、乘法指令,则需要两个或者两个以上的机器周期。

从指令的执行速度看,单字节和双字节指令一般为单机器周期和双机器周期,三字节指令都是双机器周期,只有乘、除指令占用4个机器周期。

因此在进行编程时,在完成相同工作的情况下,选用占用机器周期少的命令会提高程序的执行速率,尤其是在编写大型程序程序的时候,其效果更加明显。


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