计算机组织|不同的指令周期

先决条件—— 执行、阶段和吞吐量

每个指令周期中涉及的寄存器：

• 内存地址寄存器（MAR） ：它连接到系统总线的地址线。它为读或写操作指定内存中的地址。
• 内存缓冲寄存器（MBR） ：它连接到系统总线的数据线。它包含要存储在内存中的值或从内存中读取的最后一个值。
• 程序计数器（PC） ：保存要获取的下一条指令的地址。
• 指令寄存器（IR） ：保存最后获取的指令。

指令周期——

指令周期的每个阶段都可以分解为一系列基本的微操作。在上面的例子中，每个序列都有一个 获取、间接、执行和中断周期 .

这个 间接循环 总是跟在后面的是 执行周期 这个 中断周期 总是跟在后面的是 取回周期 。对于获取和执行周期，下一个周期取决于系统的状态。

我们假设一个新的2位寄存器叫做 指令周期代码 （国际商会）。ICC根据其所处周期的哪个部分来指定处理器的状态：-

00：取回周期 01：间接循环 10：执行周期 11：中断周期

在每个周期结束时，适当设置ICC。上述流程图 指令周期 描述微操作的完整序列，仅取决于指令序列和中断模式（这是一个简化示例）。处理器的操作被描述为一系列微操作的性能。

不同的指令周期：

• 取回周期—— 在提取周期开始时，要执行的下一条指令的地址位于 程序计数器 （PC）。

• 步骤1：程序计数器中的地址被移动到内存地址寄存器（MAR），因为这是唯一连接到系统总线地址线的寄存器。

• 步骤2：MAR中的地址放在地址总线上，现在控制单元在控制总线上发出读取命令，结果显示在数据总线上，然后复制到内存缓冲寄存器（MBR）中。程序计数器递增1，为下一条指令做好准备。（这两个动作可以同时执行以节省时间）

• 步骤3：将MBR的内容移动到指令寄存器（IR）。

• 因此，一个简单的 取回周期 由三个步骤和四个微操作组成。象征性地，我们可以把这些事件的顺序写如下：-

• 这里的“I”是指令长度。符号（t1、t2、t3）表示连续的时间单位。我们假设一个时钟可以用于计时目的，并且它会发出规则间隔的时钟脉冲。每个时钟脉冲定义一个时间单位。因此，所有时间单位的持续时间都是相等的。每个微操作都可以在单个时间单位内执行。 第一时间单位：将电脑内容移动到MAR。 第二时间单位：将MAR指定的内存位置的内容移动到MBR。增加个人电脑的内容。 第三时间单位：将MBR的内容移动到IR。 注： 第二次和第三次微操作都发生在第二个时间单位。

• 间接循环——

  提取指令后，下一步是提取源操作数。 源操作数 正在通过间接寻址获取（可以通过任何 寻址方式 ，这里是通过间接寻址完成的）。不需要提取基于寄存器的操作数。一旦操作码被执行，可能需要一个类似的过程来将结果存储在主存中。下列的 微操作 发生在：-

• 步骤1：指令的地址字段被传输到MAR。这用于获取操作数的地址。 步骤2：从MBR更新IR的地址字段。（因此它现在包含直接寻址而不是间接寻址） 步骤3：IR现在处于状态，好像没有发生间接寻址。

  注： 现在，IR已经准备好执行循环，但是它跳过这个循环考虑一段时间。 中断周期 .

• 执行周期

  其他三个周期( 获取、间接和中断 )简单且可预测。它们都需要简单、小而固定的微操作序列。在每种情况下，每次都重复相同的微操作。 执行周期与它们不同。比如，对于一台有N个不同操作码的机器，可能会发生N个不同的微操作序列。 让我们举一个假设的例子：- 考虑添加指令：

• 在此，该指令将位置X的内容添加到寄存器R中。相应的微操作为：-

• 我们从包含ADD指令的IR开始。 步骤1：IR的地址部分加载到MAR中。 第2步：从MBR更新IR的地址字段，从而读取参考内存位置。 步骤3：现在，由ALU添加R和MBR的内容。

  让我们举一个复杂的例子：-

• 这里，位置X的内容增加1。如果结果为0，将跳过下一条指令。相应的微操作顺序为：-

• 这里，如果（MBR）=0，则PC增加。该测试（MBR是否等于零）和操作（PC增加1）可以作为一个微操作执行。 笔记 ：此测试和动作微操作可在更新值MBR存储回内存的同一时间单元内执行。

• 中断周期 : 在执行周期结束时，进行测试以确定是否发生了任何启用的中断。如果发生了已启用的中断，则会发生中断周期。这种循环的性质因机器而异。 让我们进行一系列微操作：-

• 第一步：PC的内容被传输到MBR，这样它们就可以被保存以供返回。 第2步：MAR将加载电脑内容的保存地址。 PC机加载了中断处理程序的开始地址。 步骤3：MBR包含PC的旧值，存储在内存中。

  注： 在步骤2中，两个动作作为一个微操作执行。然而，大多数处理器提供多种类型的中断，可能需要一个或多个微操作才能获得save_地址和例程_地址，然后才能分别传输到MAR和PC。