计算机组成原理--中央处理器CPU2

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1、5.2指令周期和时序发生器一、指令周期1.指令周期的基本概念(1)什么是指令周期？(2)为何指令周期不能做时序的控制单位？1(3)指令周期的分段为了方便进行时序控制，一般将指令周期分成若干个(不同CPU可能有不同分法)相对独立的操作阶段，每个阶段称一个CPU周期或主状态周期或机器周期；其名称以功能命名根据不同CPU的指令系统的复杂程度不同，可以对指令周期有不同的阶段划分：一种分法：取指周期、间址周期、取操作数周期、执行周期一种分法：取指周期、执行周期、中断周期一种分法：取指周期、执行周期一种分法：取指周期、取源操作数周期、取目的操作数周期、执行周期。2(

2、4)节拍电位为了描述一个机器周期(CPU周期)中各个信号相互配合的情况，引入了节拍电位的概念。在CPU周期周期中有若干个节拍电位，节拍电位具有一定的时间宽度；3(5)节拍脉冲每个节拍电位中包含若干个节拍脉冲，这些节拍脉冲能够改变标志状态，同步节拍电位的转换;如果没有节拍脉冲，则无法在不同电位之间进行转换，也无法知道什么时候取指周期开始、结束，什么时候可以打开三态门，下图演示了节拍脉冲、节拍电位、CPU周期的一个简单的关系。452.指令周期举例这里用2条指令的执行来理解指令周期的概念，以便更好理解指令在计算机中的执行过程。(注：这是一个非Intel芯片)一

3、条指令是CLA:(CLearAC)即清除AC累加器(实质是一个寄存器)的值；例如：执行CLA后，AC累加器为0；另一条指令是ADD指令，是一个一地址指令，另外一个操作数默认为AC累加器。例如：执行ADD12表示将内存12单元的数据与AC累加器的内容相加，结果放在AC累加器中；6先看该CPU的简化结构：71)CLA指令的指令周期CLA指令是一个非访内指令，在该CPU的设计中，它只需要2个CPU周期便可以完成其指令周期：取指令周期和执行指令周期；取指令周期要做的三件事；执行指令周期是从指令在指令寄存器IR后直到该指令被执行完毕。8最初开始执行前程序的起始地址

4、120（8进制）取指令时，PC寄存器的内容120送入AR(AddressRegister,地址寄存器)，PC寄存器加1，AR的内容120(001010000)经过地址译码后，找到AR所指定的单元，该单元的内容(指令CLA的指令码，二进制)通过数据线送到DR(dataregister,数据寄存器)，DR的内容通过数据总线送到IR;9以上是取指令周期，执行周期随即开始，指令译码器将CLA的指令码送给操作控制器，在时序产生器的作用下，操作控制器产生微命令，让ALU指挥AC清0；看下图演示。10112)ADD指令的指令周期CLA指令是一个访内指令，在该CPU的设

5、计中，它需要3个CPU周期便可以完成其指令周期：取指令周期、取操作数周期和执行指令周期；12ADD130表示(AC)<=(AC)+(130)即内存130单元的数据与累加器AC相加后结果放在累加器AC，当指令ADD130被送入IR寄存器后，为完成加法还需要把内存130单元的数据送入数据寄存器，所以还要去取一次数据。完整操作如下图：1314注：CPU执行一条指令不是即时实现，而是把指令的执行时间分成若干个片段，每个片段有若干个部件参与，这些片段称之为CPU周期，不同CPU的CPU周期数不一定相同。15