计算机组成原理第五章 第2讲 指令周期

5.2.3 LAD 指令执行过程详解 八进制地址 指令助记符
指令存储器 100 101 102 103 104 105 106 八进制地址 5 6 7 10 … 30 MOV RO,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3 八进制数据 70 100 66 77 … 40(120)
时钟周期：节拍脉冲、T周期

5.2指令周期

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。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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
5.2.5STO指令的指令周期
STO R2, (R3) --将R2内容写到(R3)
5.2.5STO指令的指令周期
⑥ ① ② ④ ⑤ 操作控制器 发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将地址 发出操作命令到通用寄存器，选择 发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门，将数据 发出操作命令，将数据 OC送出操作命令到通用寄存器，选择 120 写入数存 R2=120 30号单元，它原先的数据 ，作为数存的写入数 R3=30做数据存储 30放到 120 放到 40 ③ OC 发出操作命令，将地址 30打入 AR，并进行数存地址译码； 器的地址单元； 据； DBUS 被冲掉。至此， 上； 上。 STO指令执行周期结束。
解答
指令周期：
1 S = 1.25 uS 0.8M
◊ 时钟周期：
1 8M
S= 0.125 uS
10 ◊ 指令周期含有时钟周期个数： 2.5 ◊ 指令周期含有机器周期个数：
5.2 指令执行过程详解 八进制地址 指令助记符
指令存储器 100 101 102 103 104 105 106 八进制地址 5 6 7 10 … 30 MOV R0,R1 LAD R1,6 ADD R1,R2 STO R2,(R3) JMP 101 AND R1,R3 八进制数据 70 100 66 77 … 40(120)
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……
5.2.2 MOV指令执行过程详解-执行 指令
执行指令过程详解
5.6 MOV指令执行过程详解-取指 10 令
目标 源
① ③ ⑤ OC 送出控制信号，打开 OC）送出控制信号到通用寄存器，选择 DR ALU 中的数据 输出三态门，将 10 打入到目标寄存器 ALU输出送到数据总线 R1 R0 （ ， 10 R0 ）作源寄存器，选择 的内容由 DBUS 00 上。注意， 变为10。 R0 ② 操作控制器（ ④ OC送出控制信号，将 送出控制信号到 送出控制信号，将 ALU DBUS ，指定 上的数据打入到数据缓冲寄存器 ALU 做传送操作； DR （10 ）； 任何时候 至此， 作目标寄存器； MOV DBUS 指令执行结束。 上只能有一个数据。
5.2.6JMP指令的指令周期
5.2.6JMP指令的指令周期
② OC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 ① OC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 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 DBUS上； JMP指令执行周期结束。 101发送到 号单元取出。至此
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
一个CPU 周期
取指
执行
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ADD R2，R0 （R0=R0+R2） 微操作控 分析SUB R1，R3 （R3=R3-R1） 制信号
① ⑤ OC OC发出控制命令打开 DR 中的数 100 装入通用寄存器 IR输出三态门，将指令中的直接地址码 R1DBUS ，原来 R1中的数10被冲掉。至此， 6放到数据总 ③ ④ 发出读命令，将数存 DBUS 上的数据 6号单元中的数 100 装入缓冲寄存器 100读出到 DR 上； ② 操作控制器 OC发出命令，将 发出操作命令，将地址码 6装入数据地址寄存器 AR ；； LAD 线 DBUS 指令执行周期结束。 上；
5.2.2 MOV指令执行过程详解-取 指令
取指令过程详解
5.6 MOV指令执行过程详解-取指 MOV R0,R1 令
102 101
③ ④ ⑤ ⑥ ① 从 指令寄存器中的操作码（ CPU 程序计数器 程序计数器内容加 101 识别出是 号地址读出的 PC MOV 中装入第一条指令地址 1 指令，至此，取指周期即告结束。 MOV ，变成 指令通过指令总线 OP 102 ）被译码； ，为取下一条指令做好准备； （八进制）； IBUS装入指令寄存器 IR； ② PC 的内容被放到指令地址总线 ABUS(I) 上101 ,对指存进行译码 ,并启动读命令；
数据存储器
5.2.3 LAD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
③ ④ ⑤ ⑥ ① 从 指令寄存器中的操作码（ CPU 程序计数器 程序计数器内容加 102 识别出是 号地址读出的 PC LAD 中的值为 指令，至此，取指周期即告结束。 1LAD ，变成 102 指令通过指令总线 OP 103 （八进制）； ）被译码； ，为取下一条指令做好准备； IBUS装入指令寄存器 IR； ② PC 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；
微操作控 制信号
注意 红色 勘误
ALU0
ALU0
R3i
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
思考：为了缩短ADD
R2,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。
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）
5.2.3 LAD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
⑤ ① ② ③ ④OC 操作控制器 OC 送出控制命令，打开 送出控制命令，将 送出控制命令到 送出控制命令，将 OC送出控制命令到通用寄存器，选择 ALU DR DBUS ALU ，指定 （120 输出三态门，运算结果 上数据打入缓冲寄存器 ）装入 ALU做 R2 R1 ， （ R2 100 中原来的内容 ）和 R1 120 DR 做源寄存器， R2 （ ； 放到 20 ALU 20 ）的加 DBUS 产生的 被冲 R2 法操作； 上； 掉。至此 进位信号保存状态字寄存器在 做目标寄存器； ADD指令执行周期结束。 PSW中。
数据存储器
5.2.2 MOV指令执行过程详解
5.2.2 MOV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； 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
执行指令：

与冯· 诺依曼存储程序思想的印证