计算机组成原理 指令执行过程(计算机指令执行的原理)

指令执行过程

1. 指令执行时序

计算机工作的过程就是三个基本动作的重复：获取指令、分析指令、执行指令。考虑到所有设备（寄存器、存储器）的存储速度是最慢的，因此以最慢的设备工作时间（周期）作为整个工作的最长同步标准。

计算机的工作顺序是根据存储器的工作周期来划分的。每个内存工作周期也称为一个机器周期。因此，每个机器周期至少完成一项基本操作。一般来说，最长的操作是访问内存（读/写）。该时间还用于访问外围接口（寄存器）。如果某个操作，比如使用运算单元进行运算，不访问内存，即使需要很短的时间，也必须为其分配一个机器周期。因此，机器周期是计时划分的最大计算单位。

现在我们对计算机的执行时间进行最基本的划分：由于计算机不断地重复执行每条指令，所以我们将执行时间划分为执行每条指令所花费的时间，如下：

执行指令执行指令执行指令执行指令

我们将每条指令所花费的时间称为指令周期。由于每条指令的功能不同，执行时间也不同，指令周期的长度也不同。

每个指令的执行可以包括获取指令、分析指令和执行指令。由于该指令必须访问内存，因此需要一个机器周期。分析指令由指令译码电路完成，占用的时间很少，不需要分配完整的机器周期。一般可以在索引检索周期的后期（结束前的一小段时间）完成。指令的执行比较复杂：它可能不访问内存；它可以访问内存一次；它可能会访问内存两次，等等。所以它可能是从一个机器周期到几个机器周期。

因此，每条指令的执行过程如下：

取指周期执行周期执行周期执行周期执行周期

第一个机器周期始终是取指令周期，并且指令的地址始终从PC获取。当发出读存储器命令时，该指令总是从数据总线DB发回。 CPU接收到指令后，将指令放入指令寄存器IR中。该指令保留在IR 中，直到获取下一条指令。

第二个机器周期开始，具体取决于指令：

执行一次ALU运算：分配一个机器周期。

执行一次内存访问：分配一个机器周期。

因此，根据指令执行的不同情况，就会得到不同指令执行所占用的机器周期。

根据每个机器周期完成的任务不同，我们根据任务来命名每个机器周期。就像在获取周期之后命名第一个机器周期一样。

2. 指令执行过程示例

假设命令格式如下：

操作码rs,rdrs1imm(Disp)

rs、rd、rsl为通用寄存器地址； imm（或disp）是立即数（或位移）。

加法指令功能：将寄存器（rs）中的数与内存中的数（其地址为（rsl）+disp）相加，结果放入寄存器rd中。 rs 和rd 是同一个寄存器。

加法指令完成以下操作：

索引获取周期

从内存中取出指令，发送到指令寄存器，并对操作码进行解码（对指令进行分析）。

程序计数器加1，为下一条指令做准备。

控制器发送的控制信号：PCAB，W/R=0，M/IO=1；数据库红外；电脑+1。

计算寻址周期

计算数据地址并将计算出的有效地址发送到地址寄存器AR。

控制器发送的控制信号：rslGR、(rsl)ALU、dispALU（将rsl和disp的内容发送给ALU）； “+”（发送加法指令给ALU）； ALUAR（将有效地址送至地址寄存器）。

计数周期

从内存中检索数据。

控制器发送的控制信号：ARAB，W/R=0，M/IO=1； DBDR（将地址寄存器的内容发送到地址总线，同时发送内存访问和读取命令，内存读取数据后发送到数据总线，存入数据寄存器）。

执行周期

进行加法运算，结果送入寄存器，并根据运算结果设置状态位N、Z、V、C。

控制器发送的控制信号：rs、rdGR、(rs)ALU、DRALU（两个源操作数发送到ALU）；

ALUrd（运算结果送入寄存器rd）

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