计算机组成原理第五章第2讲指令周期.

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。◊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）：定义为：在内存（Cache）中读取指令字的最短时间（因为访存耗时较长）取指阶段需要一个CPU周期5.2指令周期一个指令周期中：一条指令耗时一个指令周期一个指令周期包括一个取指令周期和一个或一个以上的CPU执行周期在每个CPU周期中数据通路是确定的指令决定了数据通路的建立及操作具体内容与实现方式。勘误：P142：最后一段第一句改为：指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期又称为机器周期，（删除“又称时钟周期，”）CPU访问一次内存……5.2指令周期时钟周期：节拍脉冲、T周期处理操作的最基本单位，与CPU主频成倒数可代表一次微操作，如ALU的一次运算、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◊时钟周期：◊指令周期含有时钟周期个数：◊指令周期含有机器周期个数：0.8MS=1.25uS18MS=0.125uS102.55.2指令执行过程详解指令存储器八进制地址指令助记符100101102103104105106MOVR0,R1LADR1,6ADDR1,R2STOR2,(R3)JMP101ANDR1,R3数据存储器八进制地址八进制数据56710…30701006677…40(120)5.2.2MOV指令执行过程详解5.2.2MOV指令执行过程详解取指令：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；PC+1；指令译码：确定要进行的操作；执行指令：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与冯·诺依曼存储程序思想的印证5.2.2MOV指令执行过程详解-取指令取指令过程详解5.6MOV指令执行过程详解-取指令②PC的内容被放到指令地址总线ABUS(I)上,对指存进行译码,并启动读命令；③从101号地址读出的MOV指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器IR；④程序计数器内容加1，变成102，为取下一条指令做好准备；⑤指令寄存器中的操作码（OP）被译码；⑥CPU识别出是MOV指令，至此，取指周期即告结束。①程序计数器PC中装入第一条指令地址101（八进制）；101102MOVR0,R15.2.2MOV指令执行过程详解-执行指令执行指令过程详解5.6MOV指令执行过程详解-取指令②OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作；③OC送出控制信号，打开ALU输出三态门，将ALU输出送到数据总线DBUS上。注意，任何时候DBUS上只能有一个数据。④OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）；⑤OC送出控制信号，将DR中的数据10打入到目标寄存器R0，R0的内容由00变为10。至此，MOV指令执行结束。①操作控制器（OC）送出控制信号到通用寄存器，选择R1（10）作源寄存器，选择R0作目标寄存器；源目标105.2.3LAD指令执行过程详解指令存储器八进制地址指令助记符100101102103104105106MOVRO,R1LADR1,6ADDR1,R2STOR2,(R3)JMP101ANDR1,R3数据存储器八进制地址八进制数据56710…30701006677…40(120)5.2.3LAD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②PC的内容被放到指令地址总线ABUS(I)上,对指存进行译码,并启动读命令；③从102号地址读出的LAD指令通过指令总线IBUS装入指令寄存器IR；④程序计数器内容加1，变成103，为取下一条指令做好准备；⑤指令寄存器中的操作码（OP）被译码；⑥CPU识别出是LAD指令，至此，取指周期即告结束。①程序计数器PC中的值为102（八进制）；②OC发出操作命令，将地址码6装入数据地址寄存器AR；③OC发出读命令，将数存6号单元中的数100读出到DBUS上；④OC发出命令，将DBUS上的数据100装入缓冲寄存器DR；⑤OC发出命令，将DR中的数100装入通用寄存器R1，原来R1中的数10被冲掉。至此，LAD指令执行周期结束。①操作控制器OC发出控制命令打开IR输出三态门，将指令中的直接地址码6放到数据总线DBUS上；5.2.3LAD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：DBUS上分时进行地址传送和数据传送,一个数据通路占用一个CPU周期。5.2.4ADD指令的指令周期只讲ADD指令的执行过程5.2.5ADD指令的执行周期①操作控制器OC送出控制命令到通用寄存器，选择R1做源寄存器，R2做目标寄存器；②OC送出控制命令到ALU，指定ALU做R1（100）和R2（20）的加法操作；③OC送出控制命令，打开ALU输出三态门，运算结果120放到DBUS上；④OC送出控制命令，将DBUS上数据打入缓冲寄存器DR；ALU产生的进位信号保存状态字寄存器在PSW中。⑤OC送出控制命令，将DR（120）装入R2，R2中原来的内容20被冲掉。至此ADD指令执行周期结束。5.2.5STO指令的指令周期STOR2,(R3)--将R2内容写到(R3)5.2.5STO指令的指令周期①操作控制器OC送出操作命令到通用寄存器，选择R3=30做数据存储器的地址单元；②OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将地址30放到DBUS上；③OC发出操作命令，将地址30打入AR，并进行数存地址译码；④OC发出操作命令到通用寄存器，选择R2=120，作为数存的写入数据；⑤OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将数据120放到DBUS上。⑥OC发出操作命令，将数据120写入数存30号单元，它原先的数据40被冲掉。至此，STO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①OC发生操作控制命令，打开指令寄存器IR的输出三态门，将IR中的地址码101发送到DBUS上；②OC发出操作控制命令，将DBUS上的地址码101打入到程序计数器PC中，PC中的原先内容106被更换。于是下一条指令不是从106号单元取出，而是转移到101号单元取出。至此JMP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回想算法流程图用于算法设计具体实现方法：方框——CPU周期（机器周期）方框内容——数据通路操作或控制操作菱形符号——判别或测试（不独占cpu周期，依附于上个方框的CPU周期）~——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：学习讲解需要画方框图：取指过程相同执行过程各异5.2.7方框图表示指令周期取指执行一个CPU周期5.2.7方框图表示指令周期P151例1：双总线结构机器的数据通路图分析ADDR2，R0（R0=R0+R2）分析SUBR1，R3（R3=R3-R1）微操作控制信号微操作控制信号注意微操作控制信号，脚标i表示写入，o表示读出桥耗费时间，使得寄存器传递数据占据了一个CPU周期ALU0ALU0ALU0R3iALU0注意红色勘误思考：为了缩短ADDR2,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。