指令周期

指令周期：CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间。

指令周期常常用若干个机器周期来表示，机器周期又叫CPU周期。

一个机器周期又包含若干个时钟周期（也称为节拍、T周期或CPU时钟周期，它是CPU操作的最基本单位）。

每个指令周期内机器周期数可以不等，每个机器周期内的节拍数也可以不等。

指令周期流程

（1）程序计数器PC中装入第一条指令地址101；

（2）PC的内容被放到指令总线ABUS(I)上，对指令进行译码，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PC内容+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；

（6）CPU识别出是MOV指令。至此，取指周期结束。

（1）操作控制器OC送出控制信号到通用寄存器，选择R1(10)作为源寄存器，选择R0作目标寄存器。

（2）OC送出控制信号到ALU，指定ALU做传送操作；

（3）OC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；

（4）OC送出控制信号，将DBUS上的数据打入到数据缓冲寄存器DR（10）；

（5）OC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。

三条总线：ABUS(指令地址总线)、IBUS（指令总线）、DBUS（数据总线）

执行周期中的每一个操作都由操作控制器OC送出控制信号来执行。

LAD 指令是 RS 型指令，它先从指令存储器取出指令，然后从数据存储器 6 号单元取 出数据 100 装入通用寄存器 R1，原来 R1 中存放的数据 10 被更换成 100。由于一次访问指存，一次访问数存，LAD 指令的指令周期需要 3 个 CPU 周期。

（1）程序计数器PC中装入第一条指令地址102；

（2）PC的内容被放到指令总线ABUS(I)上，对指令进行译码，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PC内容+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；

（6）CPU识别出是LAD指令。至此，取指周期结束。

（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；

（2）OC发出操作命令，将地址码6装入数存地址寄存器AR；

（3）OC发出读命令，将数存6号单元中的数100读出到DBUS上；

（4）OC发出命令，将DBUS上的数据100装入缓冲寄存器DR；

（5）OC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。

注意，数据总线DBUS上分时进行了地址传送和数据传送，所以需要2个CPU周期。

RS型指令有三个CPU周期，一次访问指存，一次访问数存，还有一次执行；

取指周期都一样，具体差别在执行周期上。

ADD 指令是 RR 型指令，在运算器中用两个寄存器 R1 和 R2的数据进行加法运算。指 令周期只需两个 CPU 周期，其中一个是取指周期，另一个是执行周期。

（1）程序计数器PC中装入第一条指令地址103；

（2）PC的内容被放到指令总线ABUS(I)上，对指令进行译码，并启动读命令；

（3）从103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PC内容+1，变成104，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；

（6）CPU识别出是ADD指令。至此，取指周期结束。

（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；

（2）OC送出控制命令到ALU，指定ALU做R1(100)和R2（20）的加法操作；

（3）OC送出控制命令，打开ALU输出三态门，运算结果120放到DBUS上；

（4）OC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在状态字寄存器PSWR中；

（5）OC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。

STO 指令是 RS 型指令，它先访问指存取出 STO 指令，然后按(R3)=30 地址访问数存，

将(R2)=120 写入到 30 号单元。由于一次访问指存，一次访问数存，因此指令周期需 3 个

CPU 周期，其中执行周期为 2 个 CPU 周期。

（1）程序计数器PC中装入第一条指令地址104；

（2）PC的内容被放到指令总线ABUS(I)上，对指令进行译码，并启动读命令；

（3）从104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PC内容+1，变成105，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；

（6）CPU识别出是STO指令。至此，取指周期结束。

（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；

（2）OC发出操作命令，打开通用寄存器输出三态门（不经过ALU以节省时间），将地址30放到DBUS上；

（3）OC发出操作命令，将地址30打入AR，并进行数存地址译码；

（4）OC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；

（5）OC发出操作指令，打开通用寄存器输出三态门，将数据120放到DBUS上；

（6）OC发出操作命令，将数据120写入数存30单元，它原先的数据40被冲掉。至此，STO指令执行周期结束。

注意，DBUS是单总线结构，先送地址（30），后送数据（120），必须分时传送。

MOV指令 和 ADD指令 都是RR指令；类型相同，执行周期过程也相同

操作流程：

到通用寄存器中找到目标寄存器和源寄存器地址

告诉ALU它要做什么运算（加法还是传送）

将处理好的数据通过ALU三态门输出到DBUS总线上

将数据打入到DR（数据缓冲寄存器）

将数据覆盖掉目标寄存器中原有的数据

结束

LAD指令和STO指令都是RS指令，之所以相较于RR多了一个周期，是因为要访问cache。

LAD指令操作流程：

打开IR（指令寄存器）输出三态门，将直接地址打入到DBUS总线。

将数据打入到AR（数据地址寄存器）中去。

找到数存直接地址（6）对应的那个寄存器，将里面的数（100）放入到DBUS总线上。

打入到DR（数据缓冲寄存器)。

覆盖掉通用寄存器R1原有的数据。

结束。

STO指令操作流程：

打开IR输出三态门，将R3传送到DBUS上面

将R3打入到通用寄存器中，取出里面的数据

打开通用寄存器三态门，将数据打入到DBUS总线上

传入到AR，找到30对应的那个寄存器

打开IR输出三态门，将R2传送到DBUS上面

将R2打入到通用寄存器中，取出里面的数据

打开通用寄存器三态门，将数据打入到DBUS上

传入AR，将数据写入30对应寄存器中，原有的数据（40）被覆盖了

结束。