26-计组-指令执行过程

一、指令周期

1. 定义与组成

• 定义：CPU取出并执行一条指令所需的全部时间，称为指令周期。
• 子周期划分：
  1. 取指周期（必选）：从存储器取指令到指令寄存器（IR）。
  2. 间址周期（可选）：处理间接寻址，获取操作数的真实地址。
  3. 执行周期（必选）：执行指令规定的操作。
  4. 中断周期（可选）：处理中断请求。
• 特性：
  • 不同指令的周期长度不同。
  • 取指和执行周期必然存在，间址和中断周期视情况触发。
  • 每个子周期由多个时钟周期构成（时钟周期是CPU最小时间单位）。

2. 机器周期

• 定义：人为设计的时间单位，通常等于一次访存时间（当指令字长=存储字长时，机器周期=取指周期）。
• 与存储字长关系：反映存取一个存储单元的时间。
• 实际应用：
  • 指令字长为存储字长的倍数时，取指周期需多个机器周期（例：指令占2个存储单元 → 取指需2个机器周期）。
  • 间址、执行、中断周期的机器周期数因指令而异。

• 判断流程：
  • 间址周期：仅在间接寻址时触发（Y/N）。
  • 中断周期：仅在检测到中断请求时触发（Y/N）。

二、指令执行过程

1. 取指令

• 核心机制：程序计数器（PC）指向下条指令地址，通过访存将指令送入指令寄存器（IR）。
• 细节：
  • 可能经过内存数据寄存器（MDR）中转或直接进入IR。
  • 例：PC=103，从主存地址103取指令。
• PC自增：取指后，PC自动增加，增量由指令字长和编址方式决定。

2. 译码

• 操作：对IR中的操作码进行译码，生成对应控制信号。
• 示例（ADD指令，隐含寻址）：
  • 一个操作数地址由指令给出（如104）。
  • 另一个操作数隐含在累加器（ACC）中。

3. 源操作数地址计算并取操作数

• 寻址处理：
  • 根据寻址方式计算有效地址。
  • 存储器数据可能需多次访存。
• 示例（隐含寻址）：
  • 从指令解析地址104，读取104处数据到寄存器。
  • 另一操作数直接从ACC获取。

4. 执行数据操作

• 过程：
  • 操作数送入ALU执行运算（如加法）。
  • 结果暂存于ALU输出端寄存器。
• 注意：复杂指令的执行周期较长。

5. 目的操作数地址计算并存结果

• 存储方式：
  • 寄存器数据：直接写入目标寄存器。
  • 存储器数据：需计算目的地址并访存。
• 特殊情形：目的地址可能需额外计算（如基址寻址）。

三、指令周期的数据流

1. 取指周期数据流

• 流程：
  1. PC → MAR：将PC中的指令地址送入内存地址寄存器（MAR）。
  2. 发出读命令：控制单元通过控制总线向存储器发出读信号，MAR地址通过地址总线传至存储器。
  3. 读取指令：存储器将指令读出，经数据总线传至MDR。
  4. 指令存入IR：MDR中的指令代码送入IR。
  5. PC自增：PC值增加，增量由指令字长决定。

• 关键序列：PC → MAR → 主存 → MDR → IR，PC++。

2. 间址周期数据流

• 作用：解决间接寻址时无法直接获取操作数地址的问题。
• 流程：
  1. 根据IR中地址码确定操作数有效地址。
  2. 有效地址送入MAR。
  3. 发出读命令，MAR指示的内存单元数据读入MDR。
• 特点：读取操作数本身，而非指令。

3. 执行周期数据流

• 特点：因指令类型不同，操作差异大，无统一数据流模板。
• 操作类型：包括算术逻辑运算、数据传送、控制转移等。

4. 中断周期数据流（正常执行一个指令，中断程序）

• 流程：
  1. 堆栈指针（SP）调整：SP减一（栈从高地址向低地址生长）。
  2. 栈地址传送：SP值送入MAR。
  3. 断点写入准备：发出写命令。
  4. 数据入栈：PC值（断点地址）写入栈。
  5. 中断服务程序跳转：将中断向量地址送入PC。

• 调整堆栈指针：堆栈指针（SP）值减1，为保存断点地址腾出栈空间。因为堆栈从高地址向低地址生长，SP减小指向新的栈顶。
• 传送栈地址：将调整后的SP值送入内存地址寄存器（MAR），MAR存储将要写入断点地址的栈顶地址。
• 发出写命令：控制单元通过控制总线向主存发出写命令，同时将MAR中的栈顶地址通过地址总线传送到主存，准备写入数据。
• 保存断点地址：将程序计数器（PC）中的当前程序地址（断点）通过数据总线写入主存的栈顶地址（MAR指定的位置），完成PC值压栈。
• 加载中断向量地址：将中断服务程序的入口地址（中断向量地址，通常由中断控制器提供）送入PC，更新PC值，准备跳转到中断服务程序。

• SP本质：逻辑寄存器，通过存储地址值实现指向。

为什么需要将断点地址设置为新的栈顶（SP减1）？

• 数据覆盖风险：原SP地址可能已有数据，直接写入会破坏栈结构。
• 违反栈操作规则：压栈要求SP先减1再写入，这是堆栈设计的标准逻辑。
• 影响后续操作：直接写入原SP地址会导致栈顶指针混乱，后续压栈或出栈操作可能出错。
• 中断返回错误：如果PC值未正确保存到新的栈顶，返回时可能跳转到错误的地址，导致程序崩溃。

问题解答：中断服务程序执行完后，SP会+1并继续执行未执行的程序吗？

答案：是的，执行完中断服务程序后，CPU会通过出栈操作将堆栈指针（SP）加1，从栈中恢复中断前的PC值，并继续执行未完成的主程序。以下是具体流程和原因。