计组_指令的执行过程

2024-06-22 07:12
文章标签 指令 过程 执行 计组

本文主要是介绍计组_指令的执行过程,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

2024.06.19:计算机组成原理指令的执行过程学习笔记

第18节 指令的执行过程

  • 8.1 指令周期
  • 8.2 指令的执行过程
    • 8.2.1 取指令
    • 8.2.2 译码
    • 8.2.3 根据源操作地址计算并取操作数
    • 8.2.4 执行数据操作
    • 8.2.5 目的操作数地址计算并存结果
  • 8.3 指令的数据流
    • 8.3.1 取值周期的数据流
    • 8.3.2 间址周期的数据流
    • 8.3.3 执行周期的数据流
    • 8.3.4 中断周期的数据流


本章对指令的研究基于RISC指令集:指令字长定长,必须实现指令流水线,绝大多数指令在一个时钟周期完成

8.1 指令周期

指令字长等于存储字长时,机器周期等于取指周期,因为一次访存就可以把指令取出来,注意:机器周期是人为引入的周期

  • CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期,即CPU完成一条指令的时间
  • 一个完整的指令周期应包括取指、间址、执行和中断4个子周期
  • 每个子周期都由多个时钟周期构成

在这里插入图片描述

  • 取指周期:把指令根据PC指令计数器的指示,取到CPU的IR指令寄存器中
  • 间址周期(非必存):寻址方式
  • 执行周期
  • 中断周期(非必存)

在这里插入图片描述


8.2 指令的执行过程

8.2.1 取指令

  • 马上将要执行的指令地址总是在程序计数器PC中,因此指令的操作就是从指令计数器PC所指的存储单元取出指令送到指令计数器IR

首先是根据PC取指令,指令计数器PC总是能记录当前要执行的指令的地址,假如现在PC里写的103,我们就会取主存中地址为103的这条指令,把这指令放到指令寄存器IR中(直接进入指令寄存器IR),记得PC要加”1“

这个过程中有可能你在根据PC的指示去取的时候,从主存中取到的指令,先进入到MDR里面,然后再通过MDR进入到IR里面(间接进入指令寄存器IR)


8.2.2 译码

  • 对指令寄存器IR中的指令操作码进行译码,不同指令其功能不同,即指令涉及的操作过程不同,因而需要不同的操作控制信号

进行译码,假设现在指令寄存器IR所存放的这条指令,它解析成了一个加法指令,并且是采用隐含寻址,也就是一个操作数呢,是在指令里面给出了它的地址,另外一个操作数呢就隐含在ACC这个累加器中。

现在指令译码器就会对指令寄存器中的指令操作进行译码。不同的指令它的操作功能不同,所以过程也不同,因此我们就会生成不同的操作控制信号

8.2.3 根据源操作地址计算并取操作数

  • 根据寻址方式确定源操作数地址计算方式
  • 若是存储器数据,则需要一次或多次访存

假设我们现在采用的是隐含寻址,所以我们要从这个指令里面去读出其中一个操作数,它的有效地址是104,然后把这个数取到当前某一个计算器中,另一个操作数会隐藏再acc中

8.2.4 执行数据操作

  • 在ALU或加法器等运算部件中取出操作数进行运算

根据这条指令,会让刚才取出的操作数和acc里面隐含的这个操作数做一个加法,把他们送到alu中

8.2.5 目的操作数地址计算并存结果

  • 根据寻址方式确定目的操作数地址计算方式
  • 若是存储器数据,则需要一次或多次访存
  • 若是寄存器数据,则在数据操作时直接存结果到寄存器

把结果存储到alu输出端的这个寄存器中,最后我们就把这个结果写回到某一个寄存器,或者说就放到某一个寄存器中,当然到底放在哪里就是通过你指令里面的指示,你可以在指令里面去给他设计


8.3 指令的数据流

8.3.1 取值周期的数据流

取出指令
在这里插入图片描述

(PC)->MAR

通过PC去取这个地址里面的指令,把PC里面的值放到MAR中

1->R

这里我们要传1个读信号,实际上是一组操作的集合

  • MAR->地址总线->存储器;同时控制单元CU要发出一个读命令->控制总线->存储器
M(MAR)->MDR

根据MAR中地址的指示,把整个内存单元的数据读出来,并且放到MDR中

(MDR)->IR

把MDR中取出来的这条指令放到IR中

(PC)+1->PC

注意:一旦我们完成取值,PC就会进行一个自增


8.3.2 间址周期的数据流

取操作数的有效地址
在这里插入图片描述

Ad(IR)->MAR

翻译指令,首先根据就现在IR中放的这个指令它的地址码来看一下它的操作数的地址到底在哪里。

1->R

发出1个读的指令,包括

  • MAR->地址总线->存储器;CU读命令->控制总线->存储器
M(MAR)-MDR

根据MAR,将这个指令读到MDR中,这样我们就完成了间址周期。

间址周期就是因为有一些指令,它采用了间接寻址,或者寄存器间接寻址,这种特殊的寻址方式,导致我们没有办法直接去计算出你操作数的地址


8.3.3 执行周期的数据流

取操作数、计算

不同指令的执行周期操作不同,数据流也不同

8.3.4 中断周期的数据流

处理中断请求

思路:我当前正在执行某一条指令,或者说指令执行完了,来了1个中断。

我们必须把现在执行的这个指令的地址存下来,防止我们先去执行中断处理程序之后回不来

存到哪里去呢?计算机有一部分叫做堆栈,刚才我们提到的,去存现在运行的这个指令,它的地址,也就是把这个断点存到哪里呢,就是存到内存中的这个堆栈里面去。

堆栈里回配备一个栈顶指针,这个堆栈指针P或者叫SP,会一直指向这个栈的栈顶。SP这里其实相当于有点像1个逻辑指针,它是如何去进行这个指针的指示的呢,比如说我们现在想指向这个地址,那我们只需要让这个地址写到SP里面就可以了,那现在看起来就好像是有1个逻辑指针指向了这个地址,但实际上是没有这个指针类型的东西的,SP是作为一个寄存器去存在的。

堆栈的知识属于数据结构知识模块

注意:SP并不是1个真正的指针,而是1个寄存器

(SP)-1 ->SP

在这里插入图片描述

堆栈指针首先要指向一个空单元,我们才能进行压栈,现在假设这个堆栈是已经放置过的数据,也就是栈里面的数据,那想当然,现在堆栈指针SP,会指向最上面的这个地址。

我们现在想要把这个断点压入栈中,首先你这个指针就需要先变化。

为什么是减,是因为内存里面的这个堆栈,我们是从高地址往低地址去放的,所以想让SP移动到1个新的位置上,就需要让这个地址去进行1个减的操作

(SP)->MAR

把SP里面的内容送到MAR中,SP作为1个寄存器,它现在里面存的就是这个堆栈里面,当前栈顶的空位置

1->W

发出写的指令,具体操作集合和读指令类似

(PC)->MDR
MDR->M(MAR)

把MDR中PC的这个地址,给他写到刚才的MAR,也就是SP这个地址,完成压栈

向量地址->PC

现在开始处理中断,找和这个中断相关的中断服务程序,中断服务程序的地址就叫做向量地址,向量地址会送到PC中,接下来我们就可以根据PC中的向量地址,去主存里面找这个服务程序,然后去执行这个服务程序…

这篇关于计组_指令的执行过程的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/1083627

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