中央處理器指令周期

中央處理器CPU的功能和組成指令周期CPU的功能和組成什么是CPU？

所謂中央處理器是控制計(jì)算機(jī)來自動(dòng)完成取出指令和執(zhí)行指令任務(wù)的部件。它是計(jì)算機(jī)的核心部件，通常簡(jiǎn)稱為CPU。CPU的基本組成中央處理器由兩個(gè)主要部分:控制器運(yùn)算器控制器:包括：

程序計(jì)數(shù)器(PC)

指令寄存器(IR)

指令譯碼器

時(shí)序產(chǎn)生器

操作控制器是發(fā)布命令的“決策機(jī)構(gòu)”，即完成協(xié)調(diào)和指揮整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的操作。主要功能：從內(nèi)存中取出一條指令，并指出下一條指令在內(nèi)存中的位置。對(duì)指令進(jìn)行譯碼或測(cè)試，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。輸出相應(yīng)的控制信號(hào)，指揮并控制CPU，內(nèi)存和I/O之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)的方向。運(yùn)算器包括：算術(shù)邏輯單位（ALU）累加寄存器（AC）數(shù)據(jù)緩沖寄存器(DR)狀態(tài)條件寄存器(PSW)是數(shù)據(jù)加工處理部件。運(yùn)算器接受控制器的命令而進(jìn)行動(dòng)作，即運(yùn)算器所進(jìn)行的全部操作都是由控制器發(fā)出的控制信號(hào)來指揮的，所以它是執(zhí)行部件。主要功能：執(zhí)行所有的算術(shù)運(yùn)算。執(zhí)行所有的邏輯運(yùn)算，并進(jìn)行邏輯測(cè)試。算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC存儲(chǔ)器

I/OCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制ccccc緩沖寄存器DRCPU的功能和組成CPU的主要寄存器累加寄存器ACAC通常簡(jiǎn)稱為累加器。功能是：當(dāng)運(yùn)算器的算術(shù)邏輯單元（ALU）執(zhí)行全部算術(shù)和邏輯運(yùn)算時(shí)，為ALU提供一個(gè)工作區(qū)。累加寄存器暫時(shí)存放ALU運(yùn)算的結(jié)果信息。顯然，運(yùn)算器中至少要有一個(gè)累加寄存器。

2.指令寄存器IR指令寄存器用來保存當(dāng)前正在執(zhí)行的一條指令。存放從內(nèi)存中取出的指令；其中指令的操作碼送到指令譯碼器，譯碼后輸出控制信號(hào)。

程序計(jì)數(shù)器PC程序計(jì)數(shù)器中存放的是下一條指令在內(nèi)存中的地址。

若程序順序執(zhí)行：PC

PC+1；若程序有跳轉(zhuǎn)：PCPC+偏移地址。狀態(tài)條件寄存器PSW

狀態(tài)條件寄存器保存由算術(shù)指令和邏輯指令運(yùn)行或測(cè)試的結(jié)果建立的各種條件碼內(nèi)容，同時(shí)狀態(tài)條件寄存器還保存中斷和系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息，以便使CPU和系統(tǒng)能及時(shí)了解機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)和程序運(yùn)行狀態(tài)。因此，狀態(tài)條件寄存器是一個(gè)由各種狀態(tài)條件標(biāo)志拼湊而成的寄存器。

O溢出D方向I中斷允許T追蹤

S符號(hào)Z零A輔助進(jìn)位P奇偶

C進(jìn)位

ODITSZAPC

地址寄存器AR

地址寄存器用來保存當(dāng)前CPU所訪問的內(nèi)存單元的地址。由于在內(nèi)存和CPU之間存在著操作速度上的差別，所以必須使用地址寄存器來保持地址信息，直到內(nèi)存的讀/寫操作完成為止。

緩沖寄存器DR

緩沖寄存器用來暫時(shí)存放由內(nèi)存儲(chǔ)器讀出的一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字；反之，當(dāng)向內(nèi)存存入一條指令或一個(gè)數(shù)據(jù)字時(shí)，也暫時(shí)將它們存放在緩沖寄存器中。

CPU的功能（4）數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算處理。完成數(shù)據(jù)的加工處理，這是CPU的根本的任務(wù)。（1）指令控制：程序是指令的有序集合，保證機(jī)器按規(guī)定的順序執(zhí)行程序。（2）操作控制：CPU管理并產(chǎn)生由內(nèi)存取出的每條指令的操作信號(hào)，并把各種操作信號(hào)送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件按指令的要求進(jìn)行動(dòng)作。（3）時(shí)間控制：對(duì)各種操作實(shí)施時(shí)間上的控制，計(jì)算機(jī)中各種指令的操作信號(hào)均受到時(shí)間的嚴(yán)格控制。指令周期程序的執(zhí)行過程：

馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的順序：

1.

從程序首地址開始。2.分步執(zhí)行每一條指令，并形成下條待執(zhí)行指令的地址。3.自動(dòng)地連續(xù)執(zhí)行指令，直到程序的最后一條指令。指令周期—讀取指令指令地址送入主存地址寄存器讀主存，讀出內(nèi)容送入指定的寄存器—分析指令—按指令規(guī)定內(nèi)容執(zhí)行指令不同指令的操作步驟數(shù)和具體操作內(nèi)容差異很大—檢查有無中斷請(qǐng)求若無，則轉(zhuǎn)入下一條指令的執(zhí)行過程形成下一條指令地址指令的執(zhí)行過程中斷檢測(cè)點(diǎn)指令周期的基本概念指令周期：CPU每取出并執(zhí)行一條指令，都要完成一系列的操作，這一系列操作所需用的時(shí)間通常叫做一個(gè)指令周期。機(jī)器周期：機(jī)器周期也稱為CPU周期。通常用內(nèi)存中讀取一個(gè)指令字的最短時(shí)間來規(guī)定CPU周期。指令周期常常用若干個(gè)CPU周期數(shù)來表示，時(shí)鐘周期：一個(gè)CPU周期時(shí)間又包含有若干個(gè)時(shí)鐘周期（通常稱為節(jié)拍脈沖或T周期，它是處理操作的最基本單位）。這些時(shí)鐘周期的總和則規(guī)定了一個(gè)CPU周期的時(shí)間寬度。指令周期T周期CPU周期CPU周期T1T2T3T4（取指令）（執(zhí)行指令）取指令執(zhí)行指令指令周期指令周期下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的程序來具體認(rèn)識(shí)每一條指令的指令周期和執(zhí)行過程。內(nèi)存地址內(nèi)存內(nèi)容助記符所完成的操作020250000CLA將累加器的內(nèi)容清零021030030ADD30（Ac）+（30）

Ac022021040STA40（Ac）（40）023000000NOP024140021JMP2121→PC

030000006

031

040存和數(shù)單元

一個(gè)CPU周期

一個(gè)CPU周期取指令階段執(zhí)行指令階段開始取指令PC+1對(duì)指令譯碼執(zhí)行指令取下條指令PC+1CLA指令的指令周期非訪內(nèi)指令需要兩個(gè)CPU周期:第一個(gè)CPU周期:取指令階段CPU完成三件事：（1）從內(nèi)存取出指令；（2）對(duì)程序計(jì)數(shù)器PC加1，以便為取下一條指令做好準(zhǔn)備；（3）對(duì)指令操作碼進(jìn)行譯碼或測(cè)試，以便確定進(jìn)行什么操作。第二個(gè)CPU周期:執(zhí)行指令階段，將累加器Ac的內(nèi)容清零。

指令周期算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+10000202021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021指令周期算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+12021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP21000006000020CLACLA000021指令周期ADD指令的指令周期ADD指令的指令周期由三個(gè)CPU周期組成。第一個(gè)CPU周期:取指令階段。和CLA指令相同。第二個(gè)CPU周期:將操作數(shù)的地址送往地址寄存器并完成地址譯碼。第三個(gè)CPU周期:從內(nèi)存取出操作數(shù)并執(zhí)行相加的操作。

指令周期一個(gè)CPU周期一個(gè)CPU周期取指令階段執(zhí)行指令階段開始取指令PC+1對(duì)指令譯碼送操作數(shù)地址取下條指令PC+1取出操作數(shù)執(zhí)行加操作一個(gè)CPU周期指令周期算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+12021222324303140CLAADD30STA40NOPJMP21000006000021ADDADD300000210000220000300000060+6=6000006指令周期STA指令的指令周期STA指令的指令周期由三個(gè)CPU周期組成。第一個(gè)CPU周期:取指令階段其過程和CLA指令、ADD指令完全一樣，不同的是此階段中程序計(jì)數(shù)器加1后變?yōu)?23，因而為取第四條指令做好了準(zhǔn)備。我們假定，第一個(gè)CPU周期后結(jié)束，“STA40”指令已放入指令寄存器并完成譯碼測(cè)試。第二個(gè)CPU周期:送操作數(shù)地址。第三個(gè)CPU周期:累加寄存器的內(nèi)容傳送到緩沖寄存器，然后再存入到所選定的存儲(chǔ)單元中。指令周期算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRCPUALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+120212223243040CLAADD30STA40NOPJMP21000006000022STASTA40000022000023000040000006000006000006指令周期NOP指令周期NOP指令是一條空指令，包含兩個(gè)CPU周期。第一個(gè)周期：取指令。第二個(gè)周期：執(zhí)行指令。

因?yàn)槭强罩噶?，所以操作控制器不需發(fā)出任何控制信號(hào)。指令周期JMP指令周期JMP指令由兩個(gè)CPU周期組成。第一個(gè)周期：取指令周期，同其他指令。第二個(gè)周期：執(zhí)行階段CPU把指令寄存器中的地址碼部分21送到程序計(jì)數(shù)器，從而用新內(nèi)容21代替PC原先的內(nèi)容25。

這樣，下一條指令將不從25單元中讀出，而從21單元開始讀出并執(zhí)行，從而改變了程序原先的執(zhí)行順序。指令周期算術(shù)邏輯單元狀態(tài)條件寄存器程序計(jì)數(shù)器PC地址寄存器AR地址總線ABUS數(shù)據(jù)總線DBUS累加器AC緩沖寄存器DRALU指令寄存器IR指令譯碼器操作控制器時(shí)序產(chǎn)生器時(shí)鐘狀態(tài)反饋取指控制執(zhí)行控制cccc+120212223243040CLAADD30STA40NOPJMP21000006000024JMP21JMP21000024000021000006000006000025000021注意

執(zhí)行“JMP21”指令時(shí)，我們此處所給的四條指令組成的程序進(jìn)入了死循環(huán)，除非人為停機(jī)，否則這個(gè)程序?qū)o休止地運(yùn)行下去，因而內(nèi)存單元40中的和數(shù)將一直不斷地發(fā)生變化。當(dāng)然，我們此處所舉的轉(zhuǎn)移地址21是隨意的，僅僅用來說明轉(zhuǎn)移指令能夠改變程序的執(zhí)行順序而已。具體步驟如下：1)根據(jù)程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容從內(nèi)存中取出一條指令，放置于指令寄存器IR中；2)分析IR中的操作碼，決定應(yīng)執(zhí)行的操作；3)根據(jù)IR的地址碼取出參加運(yùn)算的操作數(shù)；4)對(duì)操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算；5)根據(jù)IR的地址碼把運(yùn)算結(jié)果存入指定地址；6)本條指令執(zhí)行完畢，修改PC內(nèi)容決定下一條指令所在的地址。指令周期用方框圖語(yǔ)言表示指令周期

在進(jìn)行計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用方框圖語(yǔ)言來表示一條指令的指令周期。

一個(gè)方框代表一個(gè)CPU周期，方框中的內(nèi)容表示數(shù)據(jù)通路的操作或某種控制。一個(gè)菱形符號(hào)代表某種判別或測(cè)試，不過時(shí)間上它依附于它前面一個(gè)方框的CPU周期，而不單獨(dú)占用一個(gè)CPU周期。

符號(hào)“~”代表一個(gè)公操作。~~PC→AR→ABUSDBUS→DR→IRPC+1譯碼或測(cè)試0→ACIR→ARIR→ARIR→PCAR→ABUSDBUS→DR“+”→ALUALU→ACAR→ABUSAC→DRDR→DBUS~~~CLAADD

STAJMPNOP指令周期小結(jié)：各類信息的傳送路徑指令：M----DBUS------DR-----IR地址：PC----AR----ABUS-----（取決于尋址方式）數(shù)據(jù)：寄存器----寄存器總線直接傳送寄存器----存儲(chǔ)器Ri---DR-----DBUS-----M存儲(chǔ)器----寄存器M----DBUS----DR------Ri例：如圖所示為雙總線結(jié)構(gòu)機(jī)器的數(shù)據(jù)通路，IR為指令寄存器，PC為程序計(jì)數(shù)器(具有自增功能)，M為主存(受R/W信號(hào)控制)，AR為地址寄存器，DR為數(shù)據(jù)緩沖寄存器，ALU由加、減控制信號(hào)決定完成何種操作，控制信號(hào)G控制的是一個(gè)門電路。另外，線上標(biāo)注有小圈表示有控制信號(hào)，例中yi表示y寄存器的輸入控制信號(hào)，R1o為寄存器R1的輸出控制信號(hào)，未標(biāo)字符的線為直通線，不受控制。IRPCARDRR0R1R2R3MABALUIRiIRoPCiPCoARiDRiDRoR0iR0oR3iR3oXiYiA總線B總線G+-R/WIRPCARDRR0R1R2R3MABALUIRiIRoPCiPCoARiDRiDRoR0iR0oR3iR3oXiYiA總線B總線G+-R/W1.“ADDR2，R0”指令完成（R0）+（R2）→R0功能操作。假設(shè)該指令的地址已放入PC中。2.“SUBR1，R3”指令完成（R3）-（R1）→R3的功能操作。PC→ARM→DRDR→IRR2→YR0→XR0+R2→R0~PC→ARM→DRDR→IRR3→YR1→XR3+R1→R3~PC0，G，ARiDR0，G，IRiR20，G，YiR00，G，Xi+，G，R0i

R/W=RR3o，G，YiR1o，G，Xi-，G，R3iIRPCARDRR0R1R2R3MABALUIRiIRoPCiPCoARiDRiDRoR0iR0oR3iR3oXiYiG+-R/W畫出存數(shù)指令“STAR1,(R2)”的指令周期流程圖，其含義是將寄存器R1的內(nèi)容傳送至（R2）為地址的主存單元中。標(biāo)出各個(gè)操作信號(hào)序列。IRPCARDRR0R1R2R3MABALUIRiIRoPCiPCoARiDRiDRoR0iR0oR3iR3oXiYiA總線B總線G+-R/WR10