计算机指令周期
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
计算机科学导论
——指令周期
机器周期
所谓机器周期就是CPU利 用重复的周期步骤来执行 程序中的指令。
译码
取指令
机器周期
执行
CPU的组成 ALU
（算术逻辑单元）
（数据） 寄 存 器
PC (程序计数器) IR (指令寄存器)
控制单元
取指令
因为算术逻辑单元只能操 作那些存储在数据寄存器 中的数据。 所以CPU中的控制单元命 令系统将下一条将要执行 的指令从主存复制到CPU 的指令寄存器中。
误区
对‘译码’的误区。
比如有人会认为‘7’这个数字进入 到寄存器中会被译码城‘111’的二 进制代码。 这是错误的 因为‘7’在计算机中的存储形式一 直是‘111’。
指令本身也是一些复杂的由0和1组成的数字串，在被复制到CPU中后， 得让CPU读懂之后才能执行。 这就意味着在内存中不仅有需要被运算的数据，还有对数据运算的 程序。
Hale Waihona Puke Baidu
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
控 制 单 元
IR
指令1
00
M2 M3 M4 M5
程 序 部 分
PC
周期2
ALU
R1
R2 R3
1
2
D1
D2 D3 D4 D5
1
2
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
控 制 单 元
IR
指令2
01
周期
ALU
R1
R2 R3
D1
D2 D3 D4 D5
1
2
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 M2 M3 M4 M5
控 制 单 元
IR
程 序 部 分
PC
周期1
ALU
R1
R2 R3
1
D1
D2 D3 D4 D5
1
2
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
1
2 3
D1
D2 D3 D4 D5
1
2 3
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
控 制 单 元
IR
指令4
03
M2 M3 M4 M5
程 序 部 分
PC
周期5
ALU
R1
R2 R3
1
2 3
D1
D2 D3 D4 D5
1
2 3
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
停止该运算
M1
主存
指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 M2 M3 M4 M5
控 制 单 元
IR
指令5
04
程 序 部 分
PC
课后延伸问题
控制单元又是如何对这些操作进行 更深一层次的操作呢？
译码
当指令置于寄存器后，该 指令将由控制单元负责译 码。 指令译码的结果是产生一 系列可以执行的二进制代 码。因为计算机只能识别 二进制（0和1）。
CPU
ALU （算术逻辑单元）
（数据）寄存器
指令
IR (指令寄存器)
译码
控制单元
可执行的二进制代码
PC (程序计数器)
控制器
执行
执行的过程就是控制单元 发任务命令到CPU的某个 部件，让它执行操作。 例如：控制单元发送命令 到CPU的ALU中让两个输入 到数据寄存器中的内容 （比如1和2）相加。即运 行1+2=3的运算。
CPU
ALU
（算术逻辑单元）
寄 存 器
主存
指令
问题：如果把数据全部存储在CPU的数据寄存器中， 是否可以省略该步骤呢？
答：理论上是可以实现的，因为高速率运算而且能大 量存储数据的寄存器的造价是非常昂贵的。
解决办法：因为不是所有的数据在任何一个运算中都 会全部调用，所以我们将数据存储在内存中，用的时 候临时地把它们调入寄存器中。所以才有‚取指令‛ 这一个不可省略的步骤。
流程图
开 始
执行
译码
取指令
【没有指令】
停 止
指令周期初步的概念
取：从内存中把数据复
制到CPU中。
译：数据被翻译成计算
机可识别可执行的二进制 代码。
忽略点 和一个误区，所以这个
因为存在一个 初步的概念是不正确，不 全面的！
执：ALU得到命令后将
进行运算。
忽略点
操作步骤的被操作 也就是说我们只看到数据被程 序所操作而进行运算，而忽略 了这样的操作是怎样一步步有 条不紊地进行的。
M2 M3 M4 M5
程 序 部 分
PC
周期3
ALU
1+2=3
D1
D2 D3 D4 D5
R1
R2 R3
1
2 3
1
2
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
控 制 单 元
IR
指令3
02
M2 M3 M4 M5
程 序 部 分
PC
周期4
ALU
R1
R2 R3
——指令周期
机器周期
所谓机器周期就是CPU利 用重复的周期步骤来执行 程序中的指令。
译码
取指令
机器周期
执行
CPU的组成 ALU
（算术逻辑单元）
（数据） 寄 存 器
PC (程序计数器) IR (指令寄存器)
控制单元
取指令
因为算术逻辑单元只能操 作那些存储在数据寄存器 中的数据。 所以CPU中的控制单元命 令系统将下一条将要执行 的指令从主存复制到CPU 的指令寄存器中。
误区
对‘译码’的误区。
比如有人会认为‘7’这个数字进入 到寄存器中会被译码城‘111’的二 进制代码。 这是错误的 因为‘7’在计算机中的存储形式一 直是‘111’。
指令本身也是一些复杂的由0和1组成的数字串，在被复制到CPU中后， 得让CPU读懂之后才能执行。 这就意味着在内存中不仅有需要被运算的数据，还有对数据运算的 程序。
Hale Waihona Puke Baidu
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
控 制 单 元
IR
指令1
00
M2 M3 M4 M5
程 序 部 分
PC
周期2
ALU
R1
R2 R3
1
2
D1
D2 D3 D4 D5
1
2
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
控 制 单 元
IR
指令2
01
周期
ALU
R1
R2 R3
D1
D2 D3 D4 D5
1
2
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 M2 M3 M4 M5
控 制 单 元
IR
程 序 部 分
PC
周期1
ALU
R1
R2 R3
1
D1
D2 D3 D4 D5
1
2
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
1
2 3
D1
D2 D3 D4 D5
1
2 3
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
控 制 单 元
IR
指令4
03
M2 M3 M4 M5
程 序 部 分
PC
周期5
ALU
R1
R2 R3
1
2 3
D1
D2 D3 D4 D5
1
2 3
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
停止该运算
M1
主存
指令1 指令2 指令3 指令4 指令5 M2 M3 M4 M5
控 制 单 元
IR
指令5
04
程 序 部 分
PC
课后延伸问题
控制单元又是如何对这些操作进行 更深一层次的操作呢？
译码
当指令置于寄存器后，该 指令将由控制单元负责译 码。 指令译码的结果是产生一 系列可以执行的二进制代 码。因为计算机只能识别 二进制（0和1）。
CPU
ALU （算术逻辑单元）
（数据）寄存器
指令
IR (指令寄存器)
译码
控制单元
可执行的二进制代码
PC (程序计数器)
控制器
执行
执行的过程就是控制单元 发任务命令到CPU的某个 部件，让它执行操作。 例如：控制单元发送命令 到CPU的ALU中让两个输入 到数据寄存器中的内容 （比如1和2）相加。即运 行1+2=3的运算。
CPU
ALU
（算术逻辑单元）
寄 存 器
主存
指令
问题：如果把数据全部存储在CPU的数据寄存器中， 是否可以省略该步骤呢？
答：理论上是可以实现的，因为高速率运算而且能大 量存储数据的寄存器的造价是非常昂贵的。
解决办法：因为不是所有的数据在任何一个运算中都 会全部调用，所以我们将数据存储在内存中，用的时 候临时地把它们调入寄存器中。所以才有‚取指令‛ 这一个不可省略的步骤。
流程图
开 始
执行
译码
取指令
【没有指令】
停 止
指令周期初步的概念
取：从内存中把数据复
制到CPU中。
译：数据被翻译成计算
机可识别可执行的二进制 代码。
忽略点 和一个误区，所以这个
因为存在一个 初步的概念是不正确，不 全面的！
执：ALU得到命令后将
进行运算。
忽略点
操作步骤的被操作 也就是说我们只看到数据被程 序所操作而进行运算，而忽略 了这样的操作是怎样一步步有 条不紊地进行的。
M2 M3 M4 M5
程 序 部 分
PC
周期3
ALU
1+2=3
D1
D2 D3 D4 D5
R1
R2 R3
1
2 3
1
2
数 据 部 分
（数据） R4 寄存器 R5 R6
主存
M1 指令1 指令2 指令3 指令4 指令5
控 制 单 元
IR
指令3
02
M2 M3 M4 M5
程 序 部 分
PC
周期4
ALU
R1
R2 R3