计组_指令的执行过程

2024.06.19：计算机组成原理指令的执行过程学习笔记

第18节指令的执行过程

8.1 指令周期
8.2 指令的执行过程
- 8.2.1 取指令
- 8.2.2 译码
- 8.2.3 根据源操作地址计算并取操作数
- 8.2.4 执行数据操作
- 8.2.5 目的操作数地址计算并存结果
8.3 指令的数据流
- 8.3.1 取值周期的数据流
- 8.3.2 间址周期的数据流
- 8.3.3 执行周期的数据流
- 8.3.4 中断周期的数据流

本章对指令的研究基于RISC指令集：指令字长定长，必须实现指令流水线，绝大多数指令在一个时钟周期完成

8.1 指令周期

指令字长等于存储字长时，机器周期等于取指周期，因为一次访存就可以把指令取出来，注意：机器周期是人为引入的周期

CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期，即CPU完成一条指令的时间
一个完整的指令周期应包括取指、间址、执行和中断4个子周期
每个子周期都由多个时钟周期构成

在这里插入图片描述

取指周期：把指令根据PC指令计数器的指示，取到CPU的IR指令寄存器中
间址周期（非必存）：寻址方式
执行周期
中断周期（非必存）

在这里插入图片描述

8.2 指令的执行过程

8.2.1 取指令

马上将要执行的指令地址总是在程序计数器PC中，因此指令的操作就是从指令计数器PC所指的存储单元取出指令送到指令计数器IR

首先是根据PC取指令，指令计数器PC总是能记录当前要执行的指令的地址，假如现在PC里写的103，我们就会取主存中地址为103的这条指令，把这指令放到指令寄存器IR中（直接进入指令寄存器IR），记得PC要加”1“

这个过程中有可能你在根据PC的指示去取的时候，从主存中取到的指令，先进入到MDR里面，然后再通过MDR进入到IR里面（间接进入指令寄存器IR）

8.2.2 译码

对指令寄存器IR中的指令操作码进行译码，不同指令其功能不同，即指令涉及的操作过程不同，因而需要不同的操作控制信号

进行译码，假设现在指令寄存器IR所存放的这条指令，它解析成了一个加法指令，并且是采用隐含寻址，也就是一个操作数呢，是在指令里面给出了它的地址，另外一个操作数呢就隐含在ACC这个累加器中。

现在指令译码器就会对指令寄存器中的指令操作进行译码。不同的指令它的操作功能不同，所以过程也不同，因此我们就会生成不同的操作控制信号

8.2.3 根据源操作地址计算并取操作数

根据寻址方式确定源操作数地址计算方式
若是存储器数据，则需要一次或多次访存

假设我们现在采用的是隐含寻址，所以我们要从这个指令里面去读出其中一个操作数，它的有效地址是104，然后把这个数取到当前某一个计算器中，另一个操作数会隐藏再acc中

8.2.4 执行数据操作

在ALU或加法器等运算部件中取出操作数进行运算

根据这条指令，会让刚才取出的操作数和acc里面隐含的这个操作数做一个加法，把他们送到alu中

8.2.5 目的操作数地址计算并存结果

根据寻址方式确定目的操作数地址计算方式
若是存储器数据，则需要一次或多次访存
若是寄存器数据，则在数据操作时直接存结果到寄存器

把结果存储到alu输出端的这个寄存器中，最后我们就把这个结果写回到某一个寄存器，或者说就放到某一个寄存器中，当然到底放在哪里就是通过你指令里面的指示，你可以在指令里面去给他设计

8.3 指令的数据流

8.3.1 取值周期的数据流

取出指令
在这里插入图片描述

（PC）->MAR

通过PC去取这个地址里面的指令，把PC里面的值放到MAR中

1->R

这里我们要传1个读信号，实际上是一组操作的集合

MAR->地址总线->存储器;同时控制单元CU要发出一个读命令->控制总线->存储器

M(MAR)->MDR

根据MAR中地址的指示，把整个内存单元的数据读出来，并且放到MDR中

(MDR)->IR

把MDR中取出来的这条指令放到IR中

(PC)+1->PC

注意：一旦我们完成取值，PC就会进行一个自增

8.3.2 间址周期的数据流

取操作数的有效地址
在这里插入图片描述

Ad(IR)->MAR

翻译指令，首先根据就现在IR中放的这个指令它的地址码来看一下它的操作数的地址到底在哪里。

1->R

发出1个读的指令，包括

MAR->地址总线->存储器；CU读命令->控制总线->存储器

M(MAR)-MDR

根据MAR，将这个指令读到MDR中，这样我们就完成了间址周期。

间址周期就是因为有一些指令，它采用了间接寻址，或者寄存器间接寻址，这种特殊的寻址方式，导致我们没有办法直接去计算出你操作数的地址

8.3.3 执行周期的数据流

取操作数、计算

不同指令的执行周期操作不同，数据流也不同

8.3.4 中断周期的数据流

处理中断请求

思路：我当前正在执行某一条指令，或者说指令执行完了，来了1个中断。

我们必须把现在执行的这个指令的地址存下来，防止我们先去执行中断处理程序之后回不来

存到哪里去呢？计算机有一部分叫做堆栈，刚才我们提到的，去存现在运行的这个指令，它的地址，也就是把这个断点存到哪里呢，就是存到内存中的这个堆栈里面去。

堆栈里回配备一个栈顶指针，这个堆栈指针P或者叫SP，会一直指向这个栈的栈顶。SP这里其实相当于有点像1个逻辑指针，它是如何去进行这个指针的指示的呢，比如说我们现在想指向这个地址，那我们只需要让这个地址写到SP里面就可以了，那现在看起来就好像是有1个逻辑指针指向了这个地址，但实际上是没有这个指针类型的东西的，SP是作为一个寄存器去存在的。