指令周期和指令流水线

指令周期

指令周期：处理单个指令的过程（时间）

• 取指周期：从内存中提取一条指令
• 执行周期：执行所提取的命令

只有当机器关闭、发生某种不可恢复的错误或遇到停止计算机的 程序指令时，程序执行才会停止

并非所有指令的周期都一样，例如，NOP（空操作）只有取指周期

间址周期

• 操作数/间接寻址涉及访存
• 间址周期：把间接地址的读取看成是一个额外的指令子周期

CPU

CPU的任务

寄存器

• CPU需要在指令周期中临时保存指令和数据
• CPU需要记录当前所执行指令的位置，以便知道从何处得到下一条指令

所以CPU需要一些小容量的内部存储器

• PC 程序计数器：存有待取指令的地址
• IR 指令寄存器：存有最近取来的指令
• MAR 存储地址寄存器：存有存储器位置的地址
• MBR 存储缓冲寄存器 / MDR 存储数据寄存器：存即将写入/刚刚读出存储器的字

####

取指周期

• PC将地址传送到MAR，传给地址总线
• 控制器通过控制总线请求读存储器
• 存储器收到读请求后读取地址总线上的地址，将读取到的指令返回数据总线
• CPU将数据总线上返回的指令复制给MBR，再转给IR

间址周期

• MBR最右边的NN位是地址引用，被传送给MAR
• MAR将地址通过总线传给存储器
• 控制器通过控制总线请求读存储器
• 存储器读出所需的数据/地址，送入MBR

中断周期

• 保存PC当前值（返回地址）
  • 地址（栈顶-1）传入MAR
  • 数据传入MBR写入存储器
• 控制器将中断程序的入口地址送入PC

指令流水线

• 处理指令分为不同阶段，每个阶段由相应功能部件完成

流水处理（pipelining）：如果一个产品要经过几个制作步骤，通过把制作过程安排在一条装配线上，多个产品能在各个阶段同时被加工

两阶段方法

• 将指令处理分为：取指+执行
• 在执行时取下一条指令
• 问题
  • 执行时间长于取指时间
  • 访存冲突
  • 分支/跳转时待取指令未知

六阶段方法

流水线性能